一种在金属材料表面快速制备铝铁合金涂层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料表面技术领域，具体涉及一种利用机械能在金属材料表面快速制备铝铁合金涂层的方法。
【背景技术】
[0002]粉末包埋渗铝是采用加热扩散的方法，使活性铝原子在金属材料表面扩散，形成表面铝铁合金涂层。为了产生活性铝原子并使活性铝原子向基体内部扩散而形成铝铁合金涂层，必须满足一定的热力学和动力学条件。传统的粉末渗铝工艺是通过单一的热能形成活性铝原子，并向基体内部扩散，形成铝铁合金涂层。通常加热温度在1000°c左右，保温时间为几个小时甚至十几个小时，不仅加热温度高、保温时间长，耗能大，而且工件容易产生热变形，限制了传统粉末渗铝的应用。
[0003]中国专利文献“机械能助渗金属表面改性新技术(CN1320717A)”在传统的粉末渗金属工艺的基础上进行了改进，提供了一种滚动式机械能助渗技术。其方法是在400?600°C条件下，将装有渗剂和工件的滚筒在加热炉内以3?60转/分的转速进行旋转，利用运动的渗剂颗粒对工件表面进行摩擦和撞击，使工件表面产生足够数量的活性原子和原子扩散所需要的空位，实现机械能渗金属表面改性，可用于机械能助渗铝、渗硅、渗铜、渗锰及锌铝共渗。但是由于滚筒转速慢，冲击颗粒小，产生的冲击效应小，在待处理工件表面形成的空位缺陷少，扩散激活能降低不明显，其作用效果有限，不能产生弥散纳米氧化物合金涂层O
[0004]中国专利申请“ 一种加速制备合金涂层的方法(CN1584102A) ”提供了一种在金属材料表面结合机械能振动产生冲击效应，制备合金涂层的方法。该方法利用封闭容器内的介质球撞击复合粉剂和工件表面，使复合粉剂粉末颗粒发生塑性变形和粉碎，颗粒与表面钉扎粘结形成附着层。在热能的作用下，同时发生催化剂分解，活化金属粉末颗粒和零件表面，附着层与基体的扩散烧结等物理化学过程，从而在工件表面形成弥散氧化物的合金涂层。但是由于这种振动式机械能助渗设备冲击效应无法控制，介质球的冲击方向没有规律，冲击效应比较大，容易使已经形成的附着层和合金涂层开裂、脱落，处理后的工件涂层表面粗糙，后续加工比较困难。此外，该工艺方法只能处理小型工件，一定程度上限制了它的应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种在金属材料表面快速制备铝铁合金涂层的方法，将热能与机械冲击和机械摩擦相结合，使吸附、扩散、反应等多个物理化学过程同时进行，从而形成铝铁合金涂层。这种方法不仅克服了传统渗铝工艺中加热温度高，保温时间长，能耗大等缺点，还弥补了小颗粒冲击作用弱，作用效果有限等不足，能够防止合金涂层开裂、脱落。
[0006]本发明是这样来实现的，一种在金属材料表面快速制备铝铁合金涂层的方法，其特征方法步骤如下: (1)首先在密封滚筒内装入介质球、待处理工件和复合粉剂，密封滚筒通过凸缘与一侧的转盘连接，再通过传动轴与机械能装置相连，将密封滚筒放置渗铝炉内加热进行渗铝；
(2)机械能装置中的减速电机以不同速率转动，从而给予密封滚筒不同的转速，使热能与机械能同时作用于密封滚筒；
(3)利用密封滚筒内的介质球和复合粉剂的循环滚动，对待处理工件表面进行冲击和摩擦，通过热能与机械冲击、机械摩擦的结合，使工件表面产生足够数量的活性原子和原子扩散所需空位，实现机械能助渗铝。
[0007]本发明所述复合粉剂与介质球的重量百分组成为:复合粉剂为50?10(^丨％，介质球为O?50wt %。
[0008]本发明所述介质球和复合粉剂在密封滚筒内的装填量为封闭容器空间的54?98%，待处理的工件在封闭滚筒内可以固定，也可以自由放置。
[0009]本发明所述复合粉剂由供铝剂、填充剂、活化剂三种组成；供铝剂为铝粉，填充剂为铁铝粉，活化剂由三氯化铝或氯化铵的一种组成。
[0010]本发明所述复合粉剂的成分配比按重量百分比计为:铝粉20?40wt%，铁铝粉50?80wt %，活化剂O?1wt %，粉剂粒度为100?200目。更优选的，复合粉剂中，铁铝粉中铝含量的重量百分比为51.39%。
[0011]本发明所述介质球直径在I?1mm直径之间，介质球可采用不同直径的合金球或者陶瓷球中的一种或者两种混合搭配。
[0012]本发明所述渗铝温度为400?600 °C，保温时间O?5h，滚筒转速为O?50r/min。
[0013]本发明所述渗销炉内的滚筒直径分别为100mm、200mm、300mm，高度为100mm。
[0014]本发明的特点在于，将热能与机械冲击和机械摩擦相结合，通过滚筒循环滚动使介质球和复合粉剂相互作用于工件表面，将会产生以下作用:
1、改变了传热方式，由传统的主要靠传导方式传热转变为粒子间接触传热，增加了传热速度，明显缩短了加热和透烧时间，同时还提高了滚筒内温度均匀性。
[0015]2、介质球产生的球磨作用，使复合粉剂的粉末颗粒发生塑性变形和粉碎，与工件充分接触。介质球产生的冲击作用，使一部分复合粉剂的粉末颗粒粘结在工件表面形成附着层。
[0016]3、介质球和复合粉剂颗粒对工件表面进行摩擦和冲击，使工件表面产生充足的活性原子和扩散所需空位等缺陷，从而降低扩散激活能。
【附图说明】
[0017]图1本发明所述介质球、复合粉剂、待处理工件填装密封滚筒结构示意图。
[0018]图2本发明涂层厚度与渗铝时间关系曲线(基体AM355不锈钢，550°C)。
[0019]图3本发明AM355不锈钢渗铝涂层截面(550°C，5h)。
[0020]图4为AM355不锈钢基体在500°C保温5h形成的渗铝涂层表面形貌图。
[0021]在图1中，I为介质球，2为待处理工件，3为复合粉剂，4为密封滚筒，5为渗铝炉，6为转盘，7为传动轴。
【具体实施方式】
[0022]实施例1
按图1所示，将介质球1，待处理工件2，复合粉剂3 —起混合放置在密封滚筒4内，同时将密封滚筒4放入渗铝炉5内加热。密封滚筒4通过凸缘与一侧的转盘6连接，再通过传动轴7与机械能装置相连，放置渗铝炉5内进行加热。处理工艺与结果:
复合粉剂的主要成分(重量百分比)