合金化对熔盐渗制备Fe3Si防护层的影响及渗层抗蚀机制研究

High brittleness sensitivity and high processing difficulties of Fe3Si structure intermetallic material at room temperature is the biggest obstacle for its preparing and application. In order to obtain high toughness Fe3Si intermetallic compound material, the Fe3Si layer is prepared by means of in situ diffusion permeability rather than electroplating on alloying steel surface in neutral molten salts in this research. Moreover, the influence of alloying elements on diffusion permeability processing and layer toughening is utilized to prepare the Fe3Si intermetallic protection layer with higher toughness.The alloying toughness enhancing mechanism of Fe3Si layer by molten salts siliconizing and effect of alloying elements on formation dynamics and microstructure of siliconizing layer is revealed through investigating the influence of alloying elements and various alloying metal plating layer on alloying steels siliconizing process, microstructure, strength and toughness properties of the resulted siliconizing layer.Furthermore, the anti-corrosion mechanism, electrochemical corrosion discipline and environmental degradation characteristic of Fe3Si layer is obtained through analyzing the corrosion behavior of siliconizing layer, environmental degradation process and semiconductor properties of surface passivating film in typical aqueous solution. As a result, the technical guidance and theoretical foundation would be achieved for the application of Fe3Si intermetallic layer with high performance and inexpensive in the harsh environments of metallurgy industry, chemical engineering and petroleum refining industry.

Fe3Si金属间化合物结构材料应用开发的难点在于其室温脆性大，难制备。本项目提出通过中性熔盐非电解浸渗在合金钢表面扩散渗原位反应来制备Fe3Si防护层，利用元素合金化对扩散渗原位反应过程和良好韧性增强会产生影响，以实现韧性良好的合金化Fe3Si金属间化合物防护层材料的制备。通过探讨各合金化元素对合金钢和表面镀有不同合金化元素镀层钢材的渗硅过程、渗层微观结构、强韧性等影响，以揭示熔盐渗制备Fe3Si金属间化合物渗层材料的合金化增韧机制，以及各合金化元素对Fe3Si渗层形成动力学和微观结构的影响规律；通过探讨所制备的渗层在典型水溶液介质中的腐蚀行为、环境退化过程、表面钝化膜半导体特性，来阐明Fe3Si防护层的抗蚀机制、电化学腐蚀规律和环境退化特征，从而为质优价廉的Fe3Si金属间化合物防护层在冶金、化工、石油炼制等苛刻工业环境下应用提供技术指导和理论支撑。

为了克服Fe3Si金属间化合物本身固有的室温脆性，使其能够作为结构材料在冶金等苛刻的工业环境中得以推广应用。提出深入研究软基钢材表面进行高硬度金属间化合物防护层熔盐渗制备，探讨合金化已改善其脆性的影响规律，以及Fe3Si金属间化合物防护层在水溶液中的腐蚀行为、影响因素、耐蚀机制。结果发现：利用熔盐非电解渗技术，在2Cr13和304不锈钢表面制备出的渗层是由Cr合金化的Fe3Si及Cr、Ni合金化的Fe3Si化合物层和较疏松多孔的扩散层构成。Cr或Cr及Ni的存在不仅可使得渗层厚度增加，而且也能使合金化层的致密和缺陷减少，其中304表面制备的Cr、Ni合金化Fe3Si层最为致密、缺陷少和厚度大。Cr、Ni合金化Fe3Si渗层具有相比Fe3Si渗层更为优异的钝化的性能，呈现出成数量级降低的钝化电流密度和致钝电流密度，更为宽的钝化范围。相同酸浓度下Fe3Si（304）渗层腐蚀速率较304基材减少了约1/13。渗层的耐腐蚀防护性能受熔盐渗原位制备中合金钢基材中的合金化元素显著影响。304不锈钢表面制备出的渗层本征硬度为12.763GPa，明显高于2Cr13和20碳钢表面制备出的Cr-Fe3Si层和Fe3Si化合物层本征硬度（10.944 GPa和10.353GPa），在表面韧性上明显优于后两者，属强韧性渗层，可表现出优异的耐磨性能。Fe3Si（304）在H3BO3/Na2B4O7·10H2O缓冲溶液中表现出明显的钝化特征，其钝化膜呈现双层结构，其内层主要由Cr、Fe氧化物（CrO3、FeO）和Ni的单质组成，外层由Cr、Fe氧化物和氢氧化物组成（Cr2O3、CrOOH、Fe2O3、Fe3O4、FeOOH和Fe(OH)3）。合金元素、成膜电位、Cl-浓度及温度对钝化膜的半导体性能和对基体的保护作用产生显著的影响，随着合金元素的增多、成膜电位的升高、Cl-浓度的减小及成膜温度的降低，所成钝化膜膜电阻和电荷传递电阻增大，膜内缺陷杂质态密度减小，对基体的保护作用增强，呈现n-p-n型半导体特性。通过8～10µm的电镀镍复合熔盐渗硅可制备出厚87µm、少缺陷、致密的(Ni,Cr)-Fe3Si渗层，金属镀层可作为合金化源参与了Fe3Si金属化合物的形成，所形成的合金化Fe3Si渗层能不同程度地增加表面硬度，提高耐磨性能，增强基材的抗硫酸溶液腐蚀性能，起到防护作用。