多元復合離子滲鹽浴表面處理對煤礦井下液壓件耐腐蝕性能的影響

王志剛，王亞軍，賈伯林，許 越

（1.神華神東煤炭集團公司，陜西 神木 719315；2.永濟市匯廣環保設備有限公司，山西 永濟 044500）

多元復合離子滲是一種新的金屬材料表面強化改性技術。將金屬材料在兩種不同性質的低溫熔融鹽浴中作復合處理，多種元素同時滲入金屬表面，形成由幾種化合物組成的復合滲層，以使金屬表面得到強化改性，同時還可以做到工藝全過程無公害，符合環境保護和節能減排要求[1]。

這種復合處理技術與提高耐磨性的單一熱處理技術和提高抗蝕性的單一表面防護技術不同，可以同時大幅度提高金屬表面的耐磨性和抗蝕性，可用于要求高耐磨、高抗蝕、耐疲勞、微變形的各種鋼、鐵及鐵基粉末冶金件。也常常用來代替滲碳淬火、高頻淬火、離子滲氮、軟氮化等熱處理和表面強化技術，以提高耐磨、耐疲勞性能，特別是用來解決硬化變形技術難題。也可用來代替發黑、鍍鉻、鍍鎳等表面防護技術，以便大幅度提高抗蝕性或降低生產成本。目前，國內外大量報道的與本技術工藝相似的QPQ 處理技術[2-3]，但在對耐蝕性要求更高的煤礦井下液壓件有一定的局限性，有必要在鹽浴處理液配方這個核心問題上進行完善和創新。本文針對產生活性滲入組元的化學反應的熱力學條件和動力學條件研制新的處理液，通過調控參與化學反應的組分濃度，提高生成活性原子的生成速率和轉化率，新研制的處理液配方可以顯著改善滲層的微觀組織形態，耐腐蝕性得到較大的提高，驗證了新配方的合理性和有效性。

1 試驗方法

試驗材料為正火態的45 鋼，化學成分見表1所示，試樣規格為10 mm×10 mm×5 mm，表面采用粗、細砂紙和拋光膏依次打磨、拋光至鏡面，用無水乙醇在超聲波作用下清洗，吹干，備用。

表1 45 鋼試樣化學成分（質量分數，%）

自配的鹽浴處理液中含有N、C、S、O、稀土等多種活性組分。離子滲處理工藝為：400 ℃時預熱30 min，580 ℃時多元鹽浴復合滲處理2 h，380 ℃后處理30 min，采用自行研制的小分子封閉劑進行封孔處理。

顯微組織和腐蝕性能評價方法為：采用LEICA DM4000 金相檢測儀測試試樣截面滲層的組織形貌和滲層分布深度；采用均勻腐蝕實驗方法評價耐化學腐蝕性能，腐蝕溶液的配制為：3.5%NaCl 的水溶液，腐蝕環境溫度為25 ℃；評價處理后試樣耐電化學腐蝕性能的方法為恒電位法中的動態法，在測試極化曲線的過程中，選擇CHI 750C 電化學工作站來檢測電勢和電流的情況，選擇飽和甘汞電機作為參比電極，選擇鉑片作為輔助電極，選擇測試的試樣作為工作電極，工作電極處于在3.5%NaCl 的水溶液中，其暴露在溶液中的表面積為1 cm2.同時在該極化曲線的測試中，固定掃描速度為1 mV/s.

2 試驗結果與討論

2.1 處理層顯微組織分析

圖1 為45 鋼試樣經過多元復合離子滲表面處理后顯微組織形貌。滲層組織從外向里分別為氧化層、化合物層、擴散層，其中，對處理表面耐蝕性起決定作用的化合物層厚度大于30 μm，遠大于目前已報道的QPQ 處理的化合物滲層厚度。生成化合物的高溫化學反應方程式見（式1～3），表明通過滲劑的組成合理的設計，輔以添加催滲劑和氰酸根的穩定劑，對形成充足的活性原子、提高滲入組分的濃度梯度、以及生成致密性較高的滲層組織，產生明顯的促進作用。多元復合離子滲表面處理由于生成了密排六方晶體結構高耐蝕性的化合物（ε 相）和致密性很高的Fe3O4氧化膜，這些都顯著地提高了試樣表面的耐腐蝕性能。

圖1 45 鋼試樣處理后滲層截面的金相照片

在設計處理液配方時，將稀土、氧等元素作為催滲劑，鋰離子作為穩定劑，這些元素的添加可使表面共滲過程明顯加快。稀土元素的加入會引起其周圍鐵原子點陣的畸變，從而使滲入原子在畸變區富集，當達到一定濃度后，將成為化合物的成核核心，繼之沉淀析出細小彌散分布的化合物，且滲層組織細化，因此使滲層綜合性能得到顯著改善[4]。鋰離子的存在能夠延緩處理鹽中活性成分[CNO-]的分解速率，同時減少反應過程中氰根的產生。鋰鹽的加入還穩定了活性氮、碳原子的擴散過程，而且大幅度降低了處理鹽的毒性，有助于表面處理技術的綠色可持續發展[3]。

2.2 化學腐蝕性能

根據目前文獻資料的報道[1-3]，經過QPQ 處理的試樣，在3.5%NaCl 水溶液中浸泡，最好的結果是接近30 天不生銹。多元復合離子滲表面改性技術處理的試樣在相同條件下，可以達到接近100 天不生銹，差別明顯。按照國標中性鹽霧試驗檢測方法，QPQ 處理的工件中性鹽霧試驗為100 h～300 h，而本技術最高可達2 000 h 以上無銹點。

2.3 電化學腐蝕性能

圖2 為處理試樣與未處理試樣的電化學Tafel極化曲線測試結果圖，與未處理試樣相比較，處理試樣的腐蝕電位明顯正移約200 mV，腐蝕電流密度約為未處理試樣的0.69 倍，表明經過多元復合離子滲表面處理的45 鋼耐電化學腐蝕性能得到明顯提高。腐蝕電位表征著陽極溶解過程（即腐蝕過程）阻滯作用的難易程度[5]。經過表面處理的試樣腐蝕電位正移，表明鋼表面層形成的化合物層和致密氧化物層所構成的保護性膜阻礙陽極的溶解，降低腐蝕介質的侵蝕，耐蝕性改善。另外，多元復合離子滲表面處理還起到變質、凈化和合金化等作用也是提高45 鋼表面耐腐蝕性能的重要因素。

圖2 45 鋼處理試樣與未處理試樣的電化學Tafel 極化曲線測試結果

3 結論

1）多元復合離子滲鹽浴表面改性處理技術在45 鋼表面形成高耐蝕性的厚度超過30μm 的Fe2-3N 化合物層以及致密的Fe3O4氧化物層；

2）多元復合離子滲的試樣，經過全浸泡腐蝕試驗和中性鹽霧試驗測試，其耐化學腐蝕性能得到顯著提高；

3）電化學腐蝕試驗測試結果表明，處理試樣的腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低，耐蝕性得到改善。