低活化铁素体-马氏体钢表面粉末包埋渗铝及后处理工艺

摘要

本发明涉及一种黑色金属表面粉末包埋渗铝及后处理方法。为解决现有工艺中Fe-Al过渡层在渗铝及高温扩散过程中表面铝含量的精确控制问题，本发明提供了一种低活化铁素体-马氏体钢表面粉末包埋渗铝及后处理工艺，该工艺步骤如下：一、低活化铁素体-马氏体钢铁铝化物涂层表面铝含量控制模型；二、模型数据采集；三、低活化铁素体-马氏体钢表面粉末包埋渗铝及后处理。本工艺通过建立铁铝化物涂层表面铝含量控制模型对渗铝工艺条件进行预测，实现了渗铝温度在600-750℃之间表面铝含量的精确控制问题，且表面铝含量要求可以在0-70at%的范围内任意选择，进而提高了工艺效率，避免了原材料浪费等一系列问题。

主权项

一种低活化铁素体‑马氏体钢表面粉末包埋渗铝及后处理工艺，其特征在于，该工艺包括以下步骤：一、低活化铁素体‑马氏体钢铁铝化物涂层表面铝含量控制模型低活化铁素体‑马氏体钢铁铝化物涂层表面铝含量控制模型由包埋渗铝动力学模型和高温扩散动力学模型共同构成；(一)包埋渗铝动力学模型：M²＝Kt+b   (1)式(1)中，M为渗铝层总的Al含量，它是Al元素深度分布曲线的积分，K为动力学参数，b为常数，t为渗铝时间，其中K是与温度有关的变量，其满足下式：K＝K₀exp(‑E/RT)   (2)式(2)中，K为动力学参数，K₀为系数，E为渗铝扩散激活能，R为气体常数，T为渗铝温度；(二)高温扩散动力学模型第一阶段，渗铝层表面存在高铝Fe₂Al₅或FeAl₂相，FeAl、α‑Fe(Al)相区扩散满足扩散偶条件，本阶段高温扩散动力学模型为：$c(x,t)=c(x/\sqrt{t})=c(x/\sqrt{t})\times (M/m)---\left(3\right)$式(3)中，x为渗铝层中任意位置距表面深度，t为扩散时间，c为Al的浓度，为扩散偶条件下FeAl及α‑Fe(Al)相区横坐标变换后与时间无关的Al元素深度分布曲线，M为渗铝层中总的Al含量，m为扩散偶条件下曲线的积分，c(x,t)为第一阶段任意时刻FeAl及α‑Fe(Al)相区的Al元素深度分布曲线；第二阶段，渗铝层完全转变为FeAl和α‑Fe(Al)相，本阶段高温扩散动力学模型采用菲克扩散第二定律描述为：$\frac{\partial c(x,t)}{\partial t}=\frac{\partial }{\partial x}\left(\tilde{D}\left(c\right)\frac{\partial c(x,t)}{\partial x}\right)---\left(4\right)$式(4)中，x为渗铝层中任意位置距表面深度，t为扩散时间，c为Al的浓度，为FeAl及α‑Fe(Al)相区铁铝互扩散系数；由于渗铝层表面没有Al流量，基体中无穷深处Al含量为零，因此，第二阶段的初始深度分布由(5)式给出，其边界条件满足：$\left\{\begin{array}{c}{J}_{x=0,t}=-{\left(\tilde{D}\left(c\right)\frac{\partial c(x,t)}{\partial x}\right)|}_{x=0}=0\\ \underset{x\to \infty }{\lim }c(x,t)=0\end{array}\right.---\left(5\right)$式(5)中，x为渗铝层中任意位置距表面深度，t为扩散时间，c为Al的浓度，J为Al的扩散通量，为FeAl及α‑Fe(Al)相区铁铝互扩散系数；二、模型数据采集在600‑750℃之间选取3个以上的渗铝温度，每个温度点在0‑12h之间选取4个以上的渗铝时长，平行多组进行如下试验，获得每组试验渗铝层Al元素深度分布，计算渗铝层中总的Al含量M，通过步骤一第(一)步式(1)和式(2)拟合得到渗铝动力学参数K₀、E、K及常数b；试验过程为：首先，以Fe₂Al₅和NH₄Cl的混合粉末为渗铝剂，对低活化铁素体‑马氏体钢表面进行粉末包埋渗铝，形成Fe₂Al₅为主的渗铝层，其中NH₄Cl占混合粉末的0.5‑1.5wt％，测出渗铝层Al元素深度分布；然后，在980℃下对Fe₂Al₅渗铝层进行0‑240min热扩散，获得不同扩散时间下的渗铝层Al元素深度分布，计算获得步骤一第(二)步第一阶段扩散偶条件下的及m，进而求出步骤一第(二)步第二阶段的最后，将采集到的模型参数M、K、b、m、代入低活化铁素体‑马氏体钢铁铝化物涂层表面铝含量控制模型，得到数据化的低活化铁素体‑马氏体钢铁铝化物涂层表面铝含量控制模型；三、低活化铁素体‑马氏体钢表面粉末包埋渗铝及后处理以所需表面铝含量、选定的扩散时间及扩散温度980℃作为输入条件，通过步骤二得到数据化的低活化铁素体‑马氏体钢铁铝化物涂层表面铝含量控制模型进行计算，得到渗铝层总的Al含量，并根据步骤一第(一)步式(1)和式(2)得到渗铝温度和渗铝时间，然后按照下面的步骤完成低活化铁素体‑马氏体钢表面粉末包埋渗铝及后处理：首先，以Fe₂Al₅和NH₄Cl的混合粉末为渗铝剂，其中NH₄Cl占混合粉末的0.5‑1.5wt％，按照计算得到的渗铝温度和渗铝时间对低活化铁素体‑马氏体钢表面进行粉末包埋渗铝，形成渗铝层；然后，在选定的扩散时间及扩散温度980℃下完成对渗铝层的热扩散处理。