工业纯铁离子渗镍及其应用研究

工业纯铁离子渗镍及其应用研究 图2熔覆层的X射线衍射谱图(Cu靶) Fig.2X—raydiffractionspectrumofcladcoatings (a)0%Re(b)0.4%La203 星 睁 衽 吲 至涂层表面距离/mm 图3La,对激光熔覆层显微硬度的影响 Fig.3EffectofLa203onmicro-hardnessof thecladcoatings 性反而更差.而当加入0.4%O1后,熔覆层的耐磨性有明 显的提高.由此可见,I03对熔覆层耐磨性的影响与其加 入量有很大的关系,过高或过低的加入量均不能有效提高激 光熔覆层的耐磨性,在本试验条件下,加入0.4%L8203对提 高激光熔覆层的耐磨性具有较好的效果.激光熔覆层的耐磨 性的提高主要足由于加入稀土氧化物后熔覆层组织改善,晶 粒细化以及熔覆层巾各种缺陷减少的结果. go 水 蓄0 幅 一 0%La2 一 04%La203 —10%ka203 时间/h 图4I,(对激光熔覆层耐磨性的影响 Fig.4EffectofLa2()3onwearresistanceofthe cladcoatings 4结论 (1)适量的La,可以细化和改善激光熔覆层的显微组 织,熔覆层中的气孔,夹杂,裂纹明显减少,涂层与基体结合较 好,硬质相的颗粒形状得到了改善,并且在熔覆层中分布均 匀 (2)加入适量的I2(使熔覆层的显微硬度得到了提 高,同时使熔覆层的硬度值较为均匀,使其耐磨性得到了显着 提高. 参考文献: :ljWangKI,ZhangQB,SunML,etalMicroswuctureandcorro— si.nresistanceoflasercladcoatingswithrareearthelements[J CorrosionScience,2001,43:255267. 2:胡木林,谢长生.王爱华激光熔覆材料相容性的研究进展[J] 金属热处理,2001,26(1):18 3王昆林,张庆波,魏兴国La2(~对\i基合金激光熔覆层组织和耐 磨性的影响[J:清华大学学报(自然科学版),1999,39(8):5—8. 工业纯铁离子渗镍及其应用研究 王从曾,苏学宽,马捷,任志远,刘鹏 (北京工业大学材料科学与工程学院,北京100022) 摘要:采用不同的工艺参数对工业纯铁进行了离子渗镍试验.结果表明,渗镍层由白亮层和 树枝状结构层组成,白亮层为Fe—Ni 合金奥氏体沉积层,扩散层为铁素体.渗层深度随加热温度的升高和保温时问的延长而增加. 白亮层中的Ni浓度随渗层的深 度变化不大,树枝状扩散层的Ni浓度呈较大梯度分布.加热温度的升高,保温时间的延长可 使工业纯铁铁芯的磁性增强,渗 Ni后样品的磁性均优于化学镀Ni样品.经离子渗的样品具有良好的防腐蚀性能 关键词:工业纯铁;离子渗镍;磁性 中图分类号:TG132.271;TG174.444文献标识码:A文章编号:0254.6051(2002)08-0019-04 ApplicationofIonNickelizinginArmcoIronbyDoubleGlowDischarge WANGCong—zeng,SUXue—kuan,MAJie,RENZhi—yuan,LIUPeng (SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,Chin a) Abstract:Differentprocessparameterswereemployedinthispapertoexperimentonionnickelizingbyd ouble glowdischarge.Theresultsshowthattheionnickelizinglayerobtainedbydoubleglowdischargingconsi stof whitebrightlayeranddendriticstructure.ThefommrisFe—Nialloyedaustenitedeposition.andthelatterisdiffu— sionlayercomposedofalloyedausteniteandferrite.Thediffusionlayerdeepenedwiththeincreasingofh eating temperatureand80themagnetismofironcoreisstrengthened.Themagnetismoftheionnickelizingsam pleis betterthanthatofthechemicalplatingNioneandtheformerhasaverygoodcorrosionresistantproperties. Keywords:ArlTlCOiron;ionnickelizing;magnetism 《金属热处理}2002年第27卷第8期19 1引言 高压线路故障寻址器是近年来研制成功的一种高新技术 产品.其功能是可以实现高压线路出现故障后的远程显示及 报警,避免了人工翻山越岭检查高压线路故障的麻烦.在寻 址器中导磁铁芯是一个核心零件,其性能的好坏直接影响寻 址器的灵敏度和可靠性.目前,按照磁性能及经济合理性的 要求,铁芯一般选用DT4一C电工纯铁制造.电工纯铁具有良 好的磁性及加工性能,但其表面在大气环境下极易腐蚀.为 了保证寻址器长期稳定,可靠运行,铁芯表面必须进行防腐处 理.铁芯的防护处理,不仅要求具有良好的抗腐性能,而且不 能影响铁芯的磁性,因而目前采用表面化学镀Ni.但在实际 装配和使用过程中,化学镀Ni层容易产生开裂或剥离现象. 因此,探索新的铁芯表面防护仍是一个非常重要的课题. 过去的工作表明【1-3],通过离子渗金属可以在基材表面 形成一层具有所需性能的合金层.该合金层与基材之间为冶 金结合,而且化学成分和性能均呈梯度分布,不会产生表层破 裂和剥落.因此,本文采用双辉离子渗金属技术_lJ,进行了铁 芯表面离子渗Ni工艺试验及有关理论问题的研究.结果表 明,离子渗Ni后铁芯表面形成良好的高镍合金层,不仅解决 了防护层开裂剥落问题,而且使铁芯的导磁性提高,无须再进 行传统的真空退火处理,因此,铁芯表面离子渗Ni是一种比 较理想的防护处理方法. 2试验条件与方法 试验用样品为寻址器铁芯零件,其材质为TD4一C电工纯 铁,离子渗金属前为冷冲压状态,未经任何热处理. 试验装置为自制的双辉离子渗金属炉.源极是由成分 (质量分数)为Fe54%,Ni46%的坡莫合金片组成的多重空心 阴极溅射源_4J,空腔深度为25ram,宽度为8,10ram,源极电 压800v,阴极电压200--450V,工作气压25,30Pa,加热温度 730,1000?,保温时间1,5h,工作气体为工业纯氩气.试 验时,工件置于阴极盘上,工件周围放置保温罩,试验温度的 高低通过调整保温罩的大小,高低和相对位置加以控制.测 温装置为DWL一31型光电温度计. 用金相显微镜观察渗层组织并测定渗层深度;用扫 描电子显微镜能谱仪测定样品表面及渗层中Ni的浓度;用专 用装置测定样品的感应电压,通过感应电压值的大小判断样 品导磁性的高低. 3试验结果及分析 3.1渗层组织及成分分析 3.1.1渗层组织特点离子渗Ni层组织大致由两部分组 成,即表面的白亮层及其以下的树枝状结构层,如图1所示. 白亮层的抗蚀性极强,4%的硝酸乙醇溶液不能将其细节腐蚀 出来,而树枝状组织形态却显得非常清楚.不同的工艺条件 对白亮层的形貌没有影响,其树枝状却随渗Ni温度的不同而 作者简介:王从曾(195l一),男,山西代县人,教授,硕士,一直从事材 料表面工程与等离子体技术方面的教学研究工作,曾获省级科技进步 二等奖2项,发明专利2项,发表50余篇.联系电话:010— 67391760,67392354 收稿日期:2001—11-15 异.其规律为:随着渗Ni温度的下降,树枝枝条变细且更加 密集;当渗Ni温度为700~C时,白亮层以下看不到明显的树 枝组织.此外,不论树枝粗细,其根部均与白亮层连为一体, 可见树枝是白亮层向基体延伸的一种方式.这种树枝状结构 的渗Ni层组织,迄今为止未见到有关报道. 图1渗Ni层组织×300 Hg.1Microstructureofionnickelizinglayer×300 3.1.2渗层成分分析图2为渗层中Ni的浓度分布曲线, 其中图2a为加热温度900?,保温5h,源极电压800V,阴极 电压450V,气压28Pa条件下的试验结果;图2b为加热温度 800?,保温3h,源极电压800V,阴极电压450V,气压30Pa条 件下的试验结果.由图可见,尽管工艺参数不同,渗层中Ni 的浓度分布特点是已知的,即在白亮层中Ni浓度较高,与源 极材料成分相接近,而且在白亮层内由表向里Ni的浓度梯度 很小,而在树枝状区浓度梯度很大. 图2渗层Ni浓度分布曲线 Hg.2DistributionofNicontentinthelayer (a)900?×5h.28Pa(b)800?×3h,30Pa 3.1.3渗层形成机理探讨关于白亮层的形成,根据组织及 成分分析结果,可以认为,其过程主要由Fe,Ni原子在试样表 面沉积外延生长及向内扩散所控制.在本文的试验条件下, 由于多重空心阴极溅射源对试样表面的原子供给非常充裕, 表面沉积的Ni原子数量比扩散进入基体的多,多余的Fe,Ni 原子在表面的沉积便形成成分与源极材料相接近的FNi合 金相层.但是,其具体形成过程因温度不同而异,当温度高于 Ac点时,Fe,Ni原子在表面沉积后,一部分向基体扩散,其余 部分便沿着表面晶格向外生长,白亮层与基体间只有成分差 别而没有明显的层一基界面.在原子沉积形成渗层的同时,Ni 原子向基体扩散,基体中的Fe原子也向白亮层中扩散,从而 形成白亮层与基体中的Ni浓度的分布特点.当渗Ni温度低 于Ac点,且表面Ni含量高于其在a相中的平衡浓度时,白 亮层的形成是以Fe—Ni合金7相在a相表面形核,长大的方 20《金属热处理》20o2年第27卷第8期 ??{;;?竹0? 一 高能球磨法机械镀锌的试验研究 齐宝森.徐英,李木森,孙希泰 (山东大学材料科学与工程学院,济南250061) 摘要:利用高能球磨原理实现了低碳钢的机械镀锌.用金相显微镜,扫描电镜,x射线衍射和显 微硬度等试验方法,测定了机械 镀锌层的组织,相结构与硬度.试验结果表明,利用高能球磨原理,能在常温,真空条件下实现无环境污染的机械镀锌层. 关键词:高能球磨;机械镀锌;镀锌层 中图分类号:TG174.44文献标识码:A文章编号:0254.6051(2002)08-0022.03 MechanicalZincPlatingbyHighEnergyBallMilling QIBao-sen,XUYing,LIMu—sen,SUNXi—tai (CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ShandongUniversity,Ji’nan250061,China) Abstract:Themechanicalzincplatingoflowcarbonsteelbyhigh—energyballmillingwasstudied.Byo pticalmi— croscope,SEM,XRDandmicro-hardnesstesting,themicrostructure,phasestructureandmicro-hardne ssofthe platedcasewasmeasured.Theresultsshowthatmechanicalzincplatingcouldbeobtainedbyhigh—energyball millingundernormaltemperatureandvacuumwithoutenvironmentalpollution. Keywords:highenergyballmilling;mechanicalzincplating;zinccoating 1引言 机械镀工艺是20年前首先在美国发展起来并进人工业 应用,它是一种在常温,常压下利用化学吸附沉积和机械碰撞 使金属微粉在工件表面形成镀层的新工艺.典型的机械镀锌 工艺是把经过预处理的零件放人机械镀的滚筒中,加入水和 冲击介质(玻璃丸),转动滚筒形成一个具有碰撞和搓辗作用 的流态环境.根据预定的镀层厚度加入金属锌粉和药剂,在 化学和机械碰撞的共同作用下使零件的表面形成金属或合金 镀层.近年来许多工业发达国家,在高强度紧固件和一些小 五金制品上逐渐采用机械镀锌.我国的昆明理工大学等也开 展了卓有成效的研究【1,2l. 利用高能球磨工艺制备金属及其合金粉末也是20世纪 70年代发展起来的一项高新技术,特别是用于制备常规液相 作者简介:齐宝森(1946.4m),男,山东济南人,教授,主要从事机械工 程材料与表面工程的教学与科研工作,发表论文共30余篇,主编教材 6本.联系电话:0531—8393490 收稿日期~2001—11-05 或气相法难以合成的新型合金,近20年来在理论研究以及新 材料研制方面,均显示出越来越旺盛的活力_3J.然而对于 高能球磨磨球表面涂镀层的研究,目前国内外研究报道甚 少|5.6J.本试验的目的主要在于探讨利用高能球磨金属粉末 工艺在试样表面形成机械镀锌层,确定所获得机械镀锌层的 组织,相结构与性能(硬度)等. 2试验内容 试样材料为l0钢,形状分块状(1Onml×1Omm×lOmm) 和球状(.40ram)两种.试验用球磨设备为QM一1SP行星式 高能球磨机,磨球(作为冲击介质)选月】(;Crl5钢球 (怊.3mm),钢丸((60.2,lmm)或金刚砂(奶7,177/*m).选 用粒度为53,纯度>98%的金属锌粉作为镀覆剂,铝粉,氯 化锌粉,氯化铵粉(化学钝)等作为活化剂. 试验时,将试样,磨球与镀覆粉末装入不锈钢罐中紧固密 封,抽真空,在不同配比的固体粉末中进行高能球磨工艺(调 整球磨机转速,球磨时间以及球料比等)试验,以正交试验法 设计,优化试验工艺参数.在真空状态下,钢球,钢丸或金刚 分析其原因,可能是由于化学镀Ni样品在镀Ni过程中镀层 和基体都存在较大的残余应力,对铁芯的磁性产生不良影响 而造成的.离子渗Ni则不存在残余应力,因而其样品具有较 好的磁性. 4结论 (1)对寻址器的工业纯铁铁芯采取不同工艺进行离子渗 Ni后,可获得由白亮层和树枝结构层组成的渗层组织.其中 白亮层为Fe-Ni合金奥氏体和铁素体组成的扩散层. (2)总渗层厚度随加热温度的升高和保温时间的延长而 增加.白亮层厚度随阴极电压的升高而减少,扩散层厚度随 阴极电压的升高而增大. (3)渗层中白亮层Ni浓度随层深变化不大,而树枝状扩 散层中Ni浓度梯度变化较大. (4)离子渗Ni后铁芯样品的感应电压均比化学镀Ni后 的高.工艺参数的影响规律为:提高加热温度,延长保温时间 均可使样品的感应电压值增高,但保温时间超过3h后影响效 果减弱. 参考文献: [1]XuZhong,WangCongzeng,eta1.1onSurfaceAlloying[A].Proc.of 4thIntemationCo~ressonHeatTreatmentofMaterials[C] Berlin,June,1985. [2]贺志勇,古风英,徐重,等.双层辉光离子镍铬共渗最佳工艺参 数的研究[J].金属热处理学报,1990,11(30):64—73. [3]王从曾,唐宾,苏永安,等.不等电位空心阴极离子渗金属工艺 特性及其应用[J]金属热处理学报,1991,12(3):37—42. [4]王从曾,马捷,苏学宽.多重空心阴极溅射靶及其应用[J].金 属热处理,2000.25(5):19—17. [5]FancyKS,MatthewsA.SomeFundamentalAspectsofGlowDis— chargesinPlasma-assistedprocesses[J].Surf.CoatTeehnal,1987. 33:17—29. 22《金属热处理》2【)(】2年第27卷第8期