張 浩，張瀟華，劉 旭，郭麗娟，朱龍龍，高 帥

（中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257061）

35CrMo是一種合金調(diào)質(zhì)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(jī)器中的重要零件，常用作抽油桿。因?yàn)槌橛蜅U工作時(shí)處在受腐蝕的環(huán)境中，且受到流體流動(dòng)和磨粒磨損的作用，加劇其腐蝕，并容易產(chǎn)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(jīng)濟(jì)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(yīng)用的表面涂覆防腐蝕技術(shù)，鍍件不僅在苛刻腐蝕環(huán)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(qiáng)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(jīng)濟(jì)損[4，5]。本文通過試驗(yàn)對35CrMo進(jìn)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(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)，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(nèi)對抽油桿35CrMo熱浸鍍Al-Si工藝研究較少。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)原材料如下：試樣尺寸為φ28.5mm×3mm的35CrMo薄圓片；工業(yè)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(yàn)選擇表面覆蓋劑為NaF、NaCl兩種物質(zhì)混合，質(zhì)量比2：1；助鍍劑配方為4%K2ZrF6+2%NaCl。

1.2 試驗(yàn)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(yàn)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(gè)部分。試驗(yàn)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(shí)間別為14min。

通過查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，制定了本次抽油桿材質(zhì)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(yàn)設(shè)備：SX2-6-13箱式電阻爐、MDJ200型金相顯微鏡、XQ-2B鑲樣機(jī)、測厚儀。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 鍍層的組織結(jié)構(gòu)分析

通過圖1在浸鍍溫度650℃、浸鍍時(shí)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(nèi)層合金層和外層Al-8%Si層兩部分組成。其中內(nèi)層合金層又可分為兩層，經(jīng)查閱相關(guān)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(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)在FeAl3相和Fe2Al5相之間會(huì)出現(xiàn)一些白色的條狀相，查閱有關(guān)文獻(xiàn)可以知道當(dāng)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(huì)出現(xiàn)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(shí)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(kuò)散；圖（c）為680℃時(shí)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(shí)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(shí)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，F(xiàn)e2Al5的厚度大大降低。在Si含量增加的過程中，F(xiàn)e2Al5成舌狀插入鐵基體，而隨著Si含量的增加，舌狀逐步消失，當(dāng)Si含量為10.0wt%時(shí)，它基本成為帶狀。同時(shí)，F(xiàn)eAl3相隨著Si含量的增加，其厚度沒有發(fā)生明顯的變化，與最外層鍍層的界面始終呈不規(guī)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?yōu)閹?。通過查閱文獻(xiàn)分析原因可能有以下幾個(gè)方面：①已知靠近鐵基的是Fe2Al5，T.Heumann[7]通過對Fe2Al5晶體結(jié)構(gòu)的研究得出其具有斜方形晶格單位，有兩個(gè)垂直向上相疊的C軸，沿C軸的晶格結(jié)點(diǎn)僅由Al原子占據(jù)。其它Al原子和全部Fe原子處于單位晶格的內(nèi)部或在晶格的側(cè)邊上。它們在C/2的距離上以環(huán)狀方式圍繞著由原子沿C軸方向構(gòu)成的獨(dú)立結(jié)構(gòu)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(kuò)散和生長[8]?？梢酝茢啵诒籄l原子和全部Fe原子準(zhǔn)環(huán)形包圍的范圍內(nèi)，原子沿C軸方向具有很高的變形性和流動(dòng)性；②形成了FexA1ySiz界面化合物，其生長速度遠(yuǎn)小于Fe2Al5[8]；③Si的存在并沒有導(dǎo)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(shí)驗(yàn)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，F(xiàn)e2Al5的厚度也會(huì)降低。從圖2中的Al-10.0wt%Si的微觀組織形貌圖可看出，當(dāng)Si含量為10.0wt%時(shí)，它已經(jīng)成為帶狀。

2.3 Si含量對鍍層厚度的影響

為了進(jìn)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(dāng)650℃、14min浸鍍時(shí)35CrMo鋼鍍層厚度的變化規(guī)律如圖3所示。

圖2 熱浸鍍時(shí)間為14min、浸鍍溫度為650℃時(shí)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(shí)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(huì)逐漸減小；之后從6.0wt%到8.0wt%過程中鍍層的厚度又會(huì)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(dāng)Si含量高于4wt%時(shí)，鍍層厚度在180μm上下浮動(dòng)，8wt%Si含量厚度達(dá)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(kuò)散，抑制Fe2Al5的生長，使其擴(kuò)散系數(shù)隨Si含量增加而下降[5]，最終導(dǎo)致鍍層的厚度減小。

圖3 浸鍍溫度為650℃、熱浸鍍時(shí)間為14min時(shí)鍍層厚度隨Si含量的變化規(guī)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(yàn)結(jié)果考慮，鍍層厚度不能太低，在本試驗(yàn)條件下，選用8.0wt%的Al-Si溶液作為助鍍?nèi)芤?，使合金層的生長最為均勻，效果最好。

3 結(jié)論

本文利用金相顯微鏡、測厚儀等設(shè)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(zhì)量百分?jǐn)?shù)）在浸鍍溫度為650℃、浸鍍時(shí)間14min時(shí)的顯微組織，對鍍層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：①Si含量對鍍層的厚度具有決定性的作用，當(dāng)Si含量為8.0wt%時(shí)，鍍層質(zhì)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，F(xiàn)e2Al5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(xiàn)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(kuò)散，降低了Fe2Al5的厚度，其中Si含量在8wt%時(shí)厚度達(dá)到最高。

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