铁基合金粉末等离子熔射成形制件的氧化处理

作者：信息来源:模具 2008-5-22

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摘要针对铁基合金粉末等离子熔射成形制件表面耐腐蚀性差的问题，结合其成分及微观结构的特点，着重研究了该类零件的氧化处理工艺，并讨论了相关问题。关键词等离子熔射成形氧化处理 AbstractIn order to improve the corrosion resistance of the pieces formed by pla...

摘　要　　针对铁基合金粉末等离子熔射成形制件表面耐腐蚀性差的问题，结合其成分及微观结构的特点，着重研究了该类零件的氧化处理工艺，并讨论了相关问题。
　　关键词　　等离子　熔射成形　氧化处理

　　Abstract　　In order to improve the corrosion resistance of the pieces formed by plasma spraying with Fe-based alloy powder,the blackening process for this kind of pieces is studied.To counter the distinguishing feature
of the pieces in composition and microscope structure,some questions referring to the technique are discussed.

1　引言

　　等离子熔射成形法制造零件技术PSFP(Plasma-Spray Forming Parts)近几年发展起来的零件制造方法，其特点是材料适应性广、沉积速度高、制件强度大。该技术使金属、高熔点合金、陶瓷、复合材料等很多特殊材料的大型、精密、复杂、薄壳零件的生产成为可能，且变得简便。
　　镍基和钴基粉末均具有良好的综合性能，但因成本昂贵，在一般工业中普遍推广使用尚有一定困难。铁基合金粉末等离子熔射成形件因成本低廉，在某些大型成形件的制备中具有良好前景，而表面耐腐蚀性差是制约其应用的主要障碍。氧化处理因其工艺简单、成本低廉，在某些耐蚀性要求相对较低的场合，可作为铁基合金粉末等离子熔射成形制件的防护和装饰性处理。尽管常规钢铁零件的氧化处理技术已趋成熟，但铁基合金粉末等离子熔射成形制件的成分、及微观结构均有独特之处，故其氧化处理技术也存在差异，对其进行深入研究十分必要。

2　氧化膜生成机理

　　铁基合金粉末等离子熔射成形制件的氧化处理可在含有氧化剂(如NaNO₃和NaNO₂)的氢氧化钠溶液中进行。氧化剂和氢氧化钠与金属铁作用生成亚铁酸钠(Na₂FeO₂)和铁酸钠(Na₂Fe₂O₄)，后两者再相互作用，生成磁性氧化铁(Fe₃O₄)。其反应如下：

另外，一部分铁酸钠水解，生成氢氧化铁的水化物（Fe(OH)₃^.nH₂O）:

Na₂Fe₂O₄+(4+2n)H₂O=2Fe(OH)₃^.nH₂O+2NaOH

从氧化膜的生成过程来看，开始时，金属铁在碱性溶液中溶解，在金属铁和溶液的接触界面处形成氧化铁的过饱和溶液，氧化铁开始从溶液中结晶出来，在金属界面上先形成晶种(晶胞)，些晶种逐渐大，形成一层连续成片的氧化膜。
　氧化膜的致密程度取决于晶种的形成速度和单个晶体的长大速度之比。当晶种形成速度大时，金属表面上晶种数较多，各结晶相互结合而形成一层致密的氧化膜，如图1 所示；若晶种形成速度小于晶体长大速度，形成的晶种较少，等到结晶能相互连接时，晶种已经增大，结晶变得粗大疏松，氧化膜也较厚，如图1所示。

图1　氧化膜生成过程示意图

3　实验与结果分析

3.1 试样
　　本研究采用的铁基合金粉末熔射成形制件的成分及主要性能指标见表1。

表1　熔射成形用铁基合金粉末的牌号及成分

<DIV align=center>牌号成分　%硬度
HRC熔点
℃CNiCrBSiFeFe010.5-0.65-713-161.5-2.53-3.5余量35-451200-1500</DIV>

3.2 氧化处理的实验研究
　　考常规钢铁零件氧化处理的规范，结合铁基粉末等离子熔射成形件的成分及结构特点，制定的氧化处理工艺流程如图2所示。

图2　铁基粉末等离子熔射成形制件氧化处理流程示意图

　　主要步骤简述如下：
　　(1) 前处理
　　① 烘烤：在等离子熔射成形的去模过程中，布满制件的孔隙中往往渗入大量油污、杂质等。比较彻底的去除办法是将制件置于 200～250℃恒温烘箱中烘烤 30min 以上，待油烟散尽，孔隙中的残留物碳化、固化，对零件表面的微观孔隙起到一定程度的堵塞、封闭作用，有利于氧化处理的进行，这是区别常规钢铁件氧化处理的关键。
　　② 化学除油：对熔射成形制件应尽量避免使用强碱，除油溶液采用低浓度碱液加高效除油剂构成。研究中采用的化学除油溶液配比及工艺规范是：

<DIV align=center>金属除油剂3%～5%H₂O余量T40～70℃t10～25min</DIV>③ 酸浸蚀：存放时间较长的熔射成形制件表面会产生锈蚀，氧化处理前，必须做酸洗处理，但酸液过强过浓，会导致表面粗糙、孔隙扩大、酸液渗透、清洗困难，为以后使用造成隐患，因此应以弱酸浸蚀、多次处理为宜。研究中，采用的酸洗溶液配比及工艺规范是：<DIV align=center>HCl10%～15%H₂O80%～85%高效除锈剂5%T室温t3～5min</DIV>

　　(2) 氧化处理
　　研究中使用的氧化处理溶液配比及规范如表2所示。

表2　氧化处理溶液配比及工艺规范　　　(g/l)

<DIV align=center>名　　　称配　比　种　类1234第一槽第二槽第一槽第二槽NaOH550-650600-700550-650700-840550-650700-850NaNO₂150-200200-250100-150150-200NaNO₃　　　　70-100100-150K₂Cr₂O₇　25-35T (℃)135-145130-135130-135140-152130-135140-152t (min)40-120151545-601545-60</DIV>
　　(3) 后处理
　　氧化的后处理能提高氧化膜的防护能力。可采用重铬酸钾溶液进行填充处理(浓度3%～5%，90～95℃，10～15min)，形成钝化膜，经流动水洗净、干燥后，在105～110℃的机油、锭子油或变压器油中浸5～10min。
3.3 结果分析
　　研究表明，单一的氧化溶液(如配方1、配方2)难以获得较厚和抗蚀性较高的氧化膜，而采用两种不同浓度的氧化溶液(如配方3、配方4)进行两次氧化的效果较好。原因是：在第一槽氧化的主要目的是使金属表面形成一层氧化的晶种，形成薄而致密的氧化膜；第二槽氧化的目的是使氧化膜增厚，增强氧化膜的抗蚀性。

4　结束语

　　(1) 铁基合金粉末等离子熔射成形制件的氧化处理技术的关键是恒温箱烘烤工序，产生的碳化物、固化物封闭了部分微观孔隙。
　　(2) 选用低浓度酸、碱前处理，使制件烘烤封闭的微孔不会扩大，各种溶液不易渗透，降低了清洗难度。
　　(3) 在热水烫干工序中，水温应保持 80℃以上，使制件浸热，达到出槽后能迅速脱水干燥，保证孔隙内基本无水及各种残留物。
　　(4) 形成的氧化膜呈褐色、结构致密，具有较好的防护和装饰性效果。

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