Si含量對35CrMo熱浸鍍Al-Si鍍層性能影響研究

張 浩，張瀟華，劉 旭，郭麗娟，朱龍龍，高 帥

（中國石油大學勝利學院，山東 東營 257061）

35CrMo是一種合金調質鋼，其中含碳量約為0.35%，又添加了一定量的合金元素Cr和Mo。35CrMo主要用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機器中的重要零件，常用作抽油桿。因為抽油桿工作時處在受腐蝕的環境中，且受到流體流動和磨粒磨損的作用，加劇其腐蝕，并容易產生腐蝕疲勞、沖刷腐蝕等[1]，存在很大的安全隱患，易造成大的經濟損失。故其腐蝕一直是困擾人們的主要問題[2，3]。

熱浸鍍Al是一種廣泛應用的表面涂覆防腐蝕技術，鍍件不僅在苛刻腐蝕環境下具有良好的耐蝕性能，而且還具有良好的耐高溫氧化、耐磨及對光和熱的反射性能等。鋼鐵在熱浸Al后可以增強其耐腐蝕、耐熱等諸多性能，從而延長鋼鐵件的使用壽命，降低因腐蝕造成的經濟損[4，5]。本文通過試驗對35CrMo進行熱浸鍍Al-Si工藝研究，以提高金屬材料的耐蝕性，分析了Si含量對鍍層組織結構的影響，優化了工藝參數，得到了性能良好的鍍層，可有效增加抽油桿的耐腐蝕性。到目前為止，國內對抽油桿35CrMo熱浸鍍Al-Si工藝研究較少。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗原材料如下：試樣尺寸為φ28.5mm×3mm的35CrMo薄圓片；工業純Al塊；Al-12wt%Si塊；Al-Si合金通過采用在Al塊中加入Al-12wt%Si塊中間合金的辦法熔制。

通過查閱資料與多次試驗選擇表面覆蓋劑為NaF、NaCl兩種物質混合，質量比2：1；助鍍劑配方為4%K2ZrF6+2%NaCl。

1.2 試驗工藝流程

熱浸鍍Al工藝一般可以分為溶劑法和森吉米爾法兩類[4]，而溶劑法又有熔融溶劑法（濕法）和烘干溶劑法（干法）。本次試驗采用烘干溶劑法，其工藝包括鍍前處理、助鍍處理、熱浸鍍鋁和鍍后處理幾個部分。試驗通過改變浸鍍液中的Si含量來研究它對鍍層性能的影響。其中，各種浸鍍液中的Si含量分別為：2.0、4.0、6.0、8.0和10.0wt%，浸鍍溫度為650℃，浸鍍時間別為14min。

通過查閱國內外相關文獻，制定了本次抽油桿材質35CrMo熱浸鍍Al-Si的工藝流程如下：試樣打磨→除油（丙酮）→水洗→酸洗→水洗→助鍍→烘干→熱浸鍍→冷卻→制樣→磨樣→觀察。

試驗設備：SX2-6-13箱式電阻爐、MDJ200型金相顯微鏡、XQ-2B鑲樣機、測厚儀。

2 試驗結果分析與討論

2.1 鍍層的組織結構分析

通過圖1在浸鍍溫度650℃、浸鍍時間14min、Al-8.0wt%Si條件下35CrMo鋼試樣浸鍍層截面組織形貌可以看出，熱浸鍍Al-Si的鍍層主要是內層合金層和外層Al-8%Si層兩部分組成。其中內層合金層又可分為兩層，經查閱相關資料[6,7]得知靠近Al-8%Si層很薄，呈深灰色，帶狀分布的相是FeAl3，而靠近35CrMo鋼基體，呈淺灰色，舌狀分布的是Fe2Al5。

同時會發現在FeAl3相和Fe2Al5相之間會出現一些白色的條狀相，查閱有關文獻可以知道當Al液中加入Si以后，在浸鍍純Al形成的舌狀晶體間的縫隙被彌合，在這些位置便會出現一些白色的條狀相，這些相為τ1/τ9[6]相。

圖1 650℃、14min、Al-8.0wt%Si下浸鍍層截面組織形貌圖

2.2 Si含量對鍍層微觀形貌的影響

35CrMo鋼熱浸鍍Al-Si，最終選擇的Si含量為2.0、4.0、6.0、8.0和10.0wt%。在金相顯微鏡下看到不同Si含量試樣浸鍍之后的微觀鍍層組織形貌圖如圖2所示。

圖（a）為680℃時Al-2.0wt%Si的微觀組織形貌圖，可看出的鍍層的厚度不夠均勻，并且有輕微的孔洞，合金層很不明顯；圖（b）為680℃為Al-4.0wt%Si的微觀組織形貌圖，圖中可以看出鍍層的厚度相比Al-2.0wt%Si完整，并且比較均勻，合金層可清晰看到且厚度明顯增加，合金層并向35CrMo鋼基體擴散；圖（c）為680℃時Al-6.0wt%Si的微觀組織形貌圖，合金層分布均勻，并且厚度相對降低；圖（d）為680℃時Al-8.0wt%Si的微觀組織形貌圖，鍍層分布均勻，合金層厚度增加并呈舌狀開始向插入基體；圖（e）為680℃時Al-10.0wt%Si的微觀組織形貌圖，圖中可以看出鍍層分布均勻，但合金層的厚度開始下降并變得很薄。綜合圖2這五張圖還可看出隨著Si含量的增加，Fe2Al5的厚度大大降低。在Si含量增加的過程中，Fe2Al5成舌狀插入鐵基體，而隨著Si含量的增加，舌狀逐步消失，當Si含量為10.0wt%時，它基本成為帶狀。同時，FeAl3相隨著Si含量的增加，其厚度沒有發生明顯的變化，與最外層鍍層的界面始終呈不規則狀。

綜合上述分析可知，隨著Si含量的增加，鍍層的形貌均不相同，合金層與基體之間的過渡由舌狀也逐漸變為帶狀。通過查閱文獻分析原因可能有以下幾個方面：①已知靠近鐵基的是Fe2Al5，T.Heumann[7]通過對Fe2Al5晶體結構的研究得出其具有斜方形晶格單位，有兩個垂直向上相疊的C軸，沿C軸的晶格結點僅由Al原子占據。其它Al原子和全部Fe原子處于單位晶格的內部或在晶格的側邊上。它們在C/2的距離上以環狀方式圍繞著由原子沿C軸方向構成的獨立結構鏈。由于C軸上有較多空位(30%),因而Al原子通過Fe2Al5晶格高速擴散和生長[8]。可以推斷，在被Al原子和全部Fe原子準環形包圍的范圍內，原子沿C軸方向具有很高的變形性和流動性；②形成了FexA1ySiz界面化合物，其生長速度遠小于Fe2Al5[8]；③Si的存在并沒有導致界面化合物生長的放慢，而主要是加速了基體Fe的溶解[9]；④Eggeler等[10]從實驗提出了Si的存在不能使Fe的溶解增大。

因此隨著Si含量的增加，Fe2Al5的厚度也會降低。從圖2中的Al-10.0wt%Si的微觀組織形貌圖可看出，當Si含量為10.0wt%時，它已經成為帶狀。

2.3 Si含量對鍍層厚度的影響

為了進一步研究，本文又用測厚儀測量了2.0、4.0、6.0、8.0和10.0wt%下35CrMo鍍層的厚度，當650℃、14min浸鍍時35CrMo鋼鍍層厚度的變化規律如圖3所示。

圖2 熱浸鍍時間為14min、浸鍍溫度為650℃時不同Si含量下35CrMo試樣鍍層的微觀形貌圖

從圖3中可見,初始從2.0wt%到4.0wt%時35CrMo鋼鍍層厚度增加幅度最大，整好與圖2中（a）圖與（b）圖吻合;隨Si含量的增加,在4.0wt%到6.0wt%過程中鍍層厚度會逐漸減小；之后從6.0wt%到8.0wt%過程中鍍層的厚度又會較一開始小幅度增加，再次與圖2中（c）圖與（d）圖吻合；最后由6.0wt%到8.0wt%過程中鍍層厚度最終再次減小。當Si含量高于4wt%時，鍍層厚度在180μm上下浮動，8wt%Si含量厚度達到最高，這是由于Si的微觀作用在于其填充了Fe2Al5相中的原子空位，使得Fe2Al5致密度增加，從而阻礙Fe、Al原子在Fe2Al5中的擴散，抑制Fe2Al5的生長，使其擴散系數隨Si含量增加而下降[5]，最終導致鍍層的厚度減小。

圖3 浸鍍溫度為650℃、熱浸鍍時間為14min時鍍層厚度隨Si含量的變化規律

綜合上述可以得出，Si含量的對合金層的厚度以及均勻生長起著重要的作用，綜合試驗結果考慮，鍍層厚度不能太低，在本試驗條件下，選用8.0wt%的Al-Si溶液作為助鍍溶液，使合金層的生長最為均勻，效果最好。

3 結論

本文利用金相顯微鏡、測厚儀等設備研究了35CrMo熱浸 鍍Al-2.0%Si、Al-4.0%Si、Al-6.0%Si、Al-8.0%Si和Al-10.0%Si（均為質量百分數）在浸鍍溫度為650℃、浸鍍時間14min時的顯微組織，對鍍層的組織結構進行了分析，得出以下結論：①Si含量對鍍層的厚度具有決定性的作用，當Si含量為8.0wt%時，鍍層質量及厚度最佳，效果最好。②Fe2Al5的厚度隨著鋁液中Si含量的增加，Fe2Al5的厚度大大降低，形貌也隨著Si含量的增加由舌狀逐步變成帶狀，并且在原本舌狀晶體的縫隙處出現了τ1/τ9相。③在Al液中添加Si后，Si原子填充了Fe2Al5的空位，阻礙了Fe、Al的擴散，降低了Fe2Al5的厚度，其中Si含量在8wt%時厚度達到最高。

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