球墨铸铁热浸镀铝的扩散行为

史晓萍， 孟君晟

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150022)

铸铁以其熔炼简便、成本低廉的特点，被广泛应用于模具的生产制造中;作为模具又常被使用于高温条件下。铸铁高温抗氧化能力较差，在800～900 ℃的使用条件下极易发生氧化反应，因此，当铸铁作为高温模具使用时其寿命较短［1－6］。为了提高铸铁的抗高温氧化能力，学者们作了许多研究和实践［7－10］，刘邦津［7］、陈军［8］研究了热浸镀的性能及用途，认为热浸镀铝涂层具有良好的抗高温氧化性。笔者在大量研究的基础上，以模具的使用特点为背景，探讨热浸镀铝微弧氧化涂层在高温下的抗氧化能力。

1 实验材料与方法

基体材料为球墨铸铁，尺寸规格φ20 mm ×6 mm，中间钻孔φ4 mm。

采用熔剂法对球墨铸铁进行热浸镀铝。工艺参数:时间10 min，温度(750 士10)℃。工艺路线:试样→砂纸打磨→碱洗→水洗→酸洗→水洗→助镀→烘干→热浸镀。

扩散温度为600 、700 、800 、900 ℃，扩散时间为1 、2 、3 h。

2 实验结果与分析

2．1 球墨铸铁热浸镀铝组织与形貌

球墨铸铁热浸镀铝后，对得到的试样进行线切割，采用扫描电镜进行截面线扫描，扫描能谱如图1所示。

图1 球墨铸铁热浸镀铝截面线扫描能谱Fig．1 Line scanning of elements along crosssection of HDA ductile iron

由图1 可以看出，球墨铸铁进行热浸铝后，得到的镀层共分为两层，上层为灰黑色，从能谱中可以看出，主要成分为Al 元素。图1a 中，上层中存在若干针状物质，对针状物质进行点扫描，其截面形貌及成分见图2 及表1。点扫描能谱表明，针状物质的主要化学成分为Fe 和Al，可以确定，上层为含有微量Fe-Al 化合物的富铝层。靠近基体的为下层，颜色呈灰白色，从线扫描能谱中可以看出，主要化学成分为Fe 和Al。根据Fe-Al 相图分析，在球墨铸铁热浸镀铝的过程中，球墨铸铁与熔融的液态铝相接触，铁原子和铝原子在高温下发生相互扩散，在相界面处Fe 和Al 发生化学反应，生成Fe-Al 金属间化合物，通过保温一定时间之后，便生成了具有一定厚度的扩散层。整个镀层呈舌状并嵌入球墨铸铁基体，与基体相连紧密，结合状态良好。

图2 热浸镀铝富铝层截面形貌Fig．2 Cross-section of HDA coatings

表1 图2 中测点的成分分析Table 1 Composition of point in fig．2

热浸镀铝试样镀层的XRD 分析图谱见图3。经标定认为，镀层由Al、FeAl3和Fe2Al5三相组成。

图3 球墨铸铁热浸镀铝镀层XRD 物相分析Fig．3 X-ray diffraction diagram of HDA coatings

在浸镀的过程中，铁铝原子发生相互扩散，引起一定的浓度起伏，在降温过程中，富铝层中极易出现FeAl3相，由此认为，富铝层中的针状物质为FeAl3相。结合对球墨铸铁热浸镀铝镀层的XRD 物相分析，以及对镀层形成机理的分析，可以确定金属间化合物扩散层主要由FeAl3和Fe2Al5两种物相组成，扩散层形态呈舌状并嵌入球墨铸铁基体。

2．2 热浸镀铝层高温扩散行为

图4 为热浸镀铝试样在700 ℃下不同扩散时间的截面形貌。从图4 中可以明显地看出，在相同温度下，随着时间的增加，纯铝层在逐渐的减少，合金层逐渐加厚。

图4 700 ℃扩散温度下截面形貌Fig．4 Cross sectional SEM microstructure of diffusion treated at 700 ℃

图5 为热浸镀铝试样在不同温度下扩散3 h 的截面形貌。从图5 可以明显地看出，在相同保温时间下，提高温度，Al 元素向Fe-Al 合金层中扩散速度加快，当800 ℃扩散3 h 时，纯铝层消失，合金层在扩散退火过程中显著增厚。

图5 不同温度下扩散3 h 截面形貌Fig．5 Cross sectional SEM diffusion treated for 3 h of different temper

3 结 论

(1)球墨铸铁表面采用热浸镀铝的方法，可以获得一定厚度的镀层。

(2)球墨铸铁热浸镀铝镀层的组织结构中，镀层分为表面富铝层及过渡层，即铝铁合金层，过渡层形状如舌状指向基体，由FeAl3、Fe2Al5物相组成。基体与镀层之间为冶金结合，具有很强的结合力。

(3)在相同扩散温度下，增加保温时间有利于Al 元素向Fe-Al 合金层扩散。在相同保温时间下，提高温度，Al 元素向Fe-Al 合金层中扩散速度加快。

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