CN1156764A - 带有铁铝扩散层的铁合金及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种铁合金，该铁合金是以维氏硬度为400或更大的Fe-Cr不锈钢为基质，带有厚度为2～50μm的Fe-Al扩散层。扩散层含有占总扩散层体积90％以上的Al和Fe的金属互化物。深度2μm以上的扩散层内Al含量占该扩散层总重量的35～65(重量)％。最好选用沉淀硬化不锈钢，或者选用高碳不锈钢作基质。该铁合金可用作齿轮或轴承等滑动部件和电动刮须刀或理发轧剪的刀片。

Description

带有铁铝扩散层的铁合金及其制备方法
本发明涉及一种由Fe-Cr不锈钢基质及硬度得到提高的Fe-A1扩散层组成的铁合金。这种铁合金可用来制作齿轮，轴承等滑动部件或电动剃须刀或理发轧剪的刀片，以及制备这种铁合金的方法。
过去，一直用碳素工具钢，高碳不锈钢和沉淀硬化不锈钢来制作齿轮，轴承和切剪工具等滑动部件。这些钢具有优良的机构硬度和抗震性。然而，这些钢的表面硬度和耐磨性有时仍不足以使滑动部件或切割工具有更长的使用寿命。为解决这一问题，常使用具有优良硬度和耐磨性的陶瓷材料，如三氧二铝(Al2O3))或氧化锆(ZrO2)。然而，陶瓷材料的机械韧性远低于钢的机械韧性又是个问题。此外，把陶瓷材料制成各种形状的滑动件或切割工具也不是件容易的事。因此要发明一种材料，其硬度和耐磨性要提高，又能保持钢的机械强度和韧度。
比如，日本专利公开No.4-250995揭示了一种用作电动剃须刀的刀片材料及其制备方法。该刀片材料包含高硬度和非磁化不锈钢，Fe-Mn合金或Be-Cu合金材料基质，Al和基质中所含金属元素(如Ni和Fe)的金属互化物层，以及在金属互化物层上的Al2O3层。这种刀片材料可通过向基质上包覆Ni和Al箔来获得，Ni箔在基质和Al箔之间。在真空或氧化气氛中加热包覆的基质以形成NiAl和/或Ni3Al金属互化物层以及Al2O3层。当热处理在真空中进行时，包复基质可在400-650℃的温度下加热1-20分钟；当热处理在氧化气氛中进行时，包复基质在600-1000℃的温度下加热5-20小时。然而，由于Ni原子向基质的扩散速率远小于Al原子向基质的扩散速率，而且Ni原子阻碍了Al原子向基质的扩散，因此就存在着基质和金属互化物层之间的粘附力不够强的问题。
英国专利No.1278085描述了一种在高温高压气氛中具有抗硫化特性的铝扩散覆盖层钢。这种涂层钢是用铝扩散涂复法制得的。这种方法的特征是在800-950℃温度下进行热处理。表面层由铝合金组成，其厚度不超过300μm。表面层表面铝含量低于30(重量)％。例如，基质是一种合金钢，其碳含量不超过0.5(重量)％，以及含有至少一种下述元素：含量在0.1-1.2(重量)％的Mn，含量不超过10％的Cr和含量不超过4.5(重量)％Ni。铝扩散涂复法可采用粉末填充法，气相法，陶瓷吸附法或热浸扩散法。然而，由于表面层中Al含量小于30(重量)％，很难在表面层中形成硬的Al-Fe金属互化物如Al3Fe，Al13Fe4或Al5Fe2。因此，表面层不足以提供高硬度和高耐磨性。
为了提高钢的硬度和耐磨性，本发明提供了一种以Fe-Cr不锈钢为基质，在基质上有Fe-Al扩散层的铁合金，以及制备这种铁合金的方法。不锈钢的维克斯硬度(维氏硬度)达到400或更高。扩散层的特征在于：
(1)扩散层的厚度在2-50μm之间；
(2)扩散层至少含有占扩散层总体积90％的Al-Fe金属互化物；
(3)包括在深度至少2μm的扩散层中的Al含量为至少2μm厚度范围内的扩散层总重量的35-65％，
因此，本发明的首要目的是提供一种以Fe-Cr不锈钢为基质以及在基质上有Fe-Al扩散层的铁合金。这种铁合金可使硬度和耐磨性得以提高，而且同时保持了基质本身的机械强度和韧性。
扩散层中的金属互化物最好至少包含Al2Fe，Al5Fe2，Al3Fe或Al13Fe4中的一种。特别是扩散层的金属互化物的含量要达到峰比率至少为10％，峰比率的定义为100*P1(/(P1+P2)，其中P1是金属互化物的主峰高度，P2是AlFe和AlFe3的主峰高度。P1和P2可通过扩散层外表面的X光衍射图获得。
较好的基质为沉淀硬化不锈钢，该基质含有66-81.9(重量)％的Fe，15-20(重量)％的Cr，3-13(重量)％的Ni，以及至少一种下述元素：3-6(重量)％的Cu，0.5-2(重量)％的Al，总量为0.01-0.2(重量)％的C和N；也可用高碳不锈钢为基质，其中含有73-89.9(重量)％的Fe，10-19(重量)％的Cr，0.1-1.2(重量)％的C，以及少于3(重量)％的Ni。
如果以沉淀硬化不锈钢为基质，本发明的铁合金制备方法如下：即在基质表面形成Al层，以制得铝涂覆基质。铝涂覆基质在450-600℃的温度下加热0.5-4小时，可使基质硬度达到400或更高，同时Al原子和Fe原子相互扩散分别进入基质和Al层，以这种方法在涂覆基质表面形成Fe-Al扩散层。
另外，若以高碳不锈钢为基质，本发明的铁合金可用以下方法制备：即在基质表面形成Al层以制得Al涂覆基质。铝涂覆基质在900-1100℃下加热15-180秒。Al原子和Fe原子相互扩散分别进入基质和Al层，以这种方式在涂覆基质的表面形成扩散层。然后，涂层基质从热处理温度开始，以10℃/秒或更高的速率冷却下来，使基质的维氏硬度达到400或更高。
本发明的其他特性、优点和效果将在下文和所附图表中详述。
图1为本发明铁合金的扫描电镜(SEM)照片，并附有Al，Fe和Cr的EPMA(电子探针微分析)曲线；图2，为图2中EPMA曲线的说明图；图3为铁合金扩散层外表面沿深度方向上Al和Cr含量的变化曲线；图4为扩散层外表面沿深度方向上维氏硬度变化曲线；图5为扩散层外表面X光衍射曲线；图6为扩散层外表面2μm深度范围内扩散层表面硬度(纵座标)和Al含量(横座标)的关系曲线；图7为扩散层表面硬度(纵座标)和Fe-Al金属互化物的峰比率(横座标)的关系曲线。
本发明所述铁合金由Fe-Cr不锈钢基质和基质上的一层Fe-Al扩散层所组成。
基质的维氏硬度为400或大于400。特别是，本铁合金用作电动刮须刀或剪发轧剪等切割工具的刀片时，基质最好选用含66-81.9％(重量)的铁，15-20％(重量)的Cr，3-13％(重量)的Ni和下述某一种元素：3-6％(重量)的Cu，0.5-2％(重量)的Al，总量为0.01-0.2％(重量)的C和N的沉淀硬化不锈钢，或含有73-89.9％(重量)的Fe，10-19％(重量)的Cr，0.1-1.2％(重量)的C和小于3％(重量)的Ni的高碳不锈钢。
Fe-Al扩散层的厚度范围为2-50μm。如果厚度小于2μm，不足以提高铁合金的耐用性；厚度大于50μm，会引起扩散层的表面硬度下降，紧靠扩散层的基质硬度也下降，或者扩散层的机械韧性变差。特别是，当铁合金用作刀刃锋利的刀片时，扩散层的厚长最好为5-15μm，以防在锋口处出现微屑。
扩散层至少2μm深度内的Al含量为该2μm以上扩散层总重量的35-65％(重量)。如果Al含量少于35％(重量)，不足以改善扩散层表面的硬度和耐用性。如果Al含量多于65％(重量)，会在扩散层内形成硬度差的纯铝层和/或Fe-Al固溶体。
比如，图1所述为厚度为10μm扩散层的截面扫描电镜照片。图2为沿电镜照片水平方向的分析的Al，Fe和Cr的EPMA曲线(EP-MA：电子探针微分析)。D0点相应于扩散层的外表面。标号21的Al的EPMA曲线表明，扩散层的表面有高浓度Al，并且Al浓度从表面至约10μm深处逐渐下降。标号22和23的曲线分别为Fe和Cu的EPMA曲线。Fe和Cu的浓度从扩散层的外表面至约10μm深处逐渐增加。标号24为拍SEM照片时在扩散层上形成的Ni的曲线。
图3为X-射线微区分析定量测得的Al和Cu含量从扩散层的外表面到深处的变化情况。Al浓度曲线表明，从扩散层外表面到约2μm深处的Al含量约为该2μm厚度区域内总重量的45-60％。由于60％(重量)的铝含量相当约76(原子)％，可以假定在扩散层的外表面形成了Al3Fe。
图4为扩散层外表面沿深度方向的维氏硬度的变化。硬度测定时的负荷为3gf，从图4可见。这一范围的扩散层相当于Al含量为35-60％(重量)的范围(如图3示)。从这一范围至约10μm处，硬度逐渐下降，最后达到基质的硬度500。
扩散层可用X光衍射来识别。如，图5所示为扩散层的X光衍射曲线。本X光曲线在常规Cu-Kα源，2θ-θ测角仪，电压。管流分别为40KV和200mA的X光衍射仪上测得。X射线照在扩散层的外表面。X曲线表明，扩散层含有多种Fe和Al的金属互化物。由于Al3Fe的峰与Al13Fe4和Al5Fe2的峰重叠，因此无法分开识别。图5中X衍射曲线上标号○的峰表明，一定存在着Al13Fe4，Al5Fe2和Al3Fe中的一种金属互化物。此外，标号X的Al2Fe一些峰与标号○的金属互化物的衍射峰互相重叠。另外，标号△的AlFe衍射峰与标号□的AlFe3峰互相重叠。因此可以说，该X衍射曲线的扩散层含有Al2Fe，AlFe3至少Al5Fe2，Al3Fe和Al13Fe4中的一种。此外，由于扩散层的外表面处形成高浓度Al表面层(图2)，以及在扩散层的表面区域测得高维氏硬度(图4)，可以假设，在扩散层的外表面处有相当大量的富Al和硬的金属互化物如Al13Fe4，Al3Fe和Al5Fe2。
本发明中，扩散层含有至少90％(体积％)的Al和Fe的金属互化物(相对于整个扩散层体积而言)。体积比(V：体积％)可按下式确定：
V(体积％)＝100×S1/(S1+S2)
S1为X衍射曲线中所有Al-Fe金属互化物的衍射峰面积之和，S2为纯Al，和/或其中的Fe主要与Al形成固溶体的Al合金(除开Al-Fe金属互化物)的衍射峰面积之和。如果百分比低于90％，由于在扩散层中保留有纯Al和Al合金，因此扩散层的硬度下降。比如，图5的X光衍射曲线上没有纯Al和Al合金的峰，因此扩散层的Al-Fe金属互化物的体积百分比为100(体积)％。
附带说一下，图5的X衍射曲线并没有显示基质的任何峰。然而，当扩散层的厚度变薄时，基质的某些峰可能会出现。另外，当扩散层外表面的Al含量高于65％(重量)时，可能见到纯Al的某些峰。还应当注意，在X衍射图中没有Al2O3的峰。换言之，本发明的扩散层外表面并不形成任何Al2O3层，还有，扩散层含有少量的Cr，如图3所示。而在X衍射曲线上没见到任何Al和Cr的金属互化物。即使在扩散层形成小量的Al-Cr金属互化物也没问题，因为扩散层的硬度并不降低。
本发明所述扩散层中富Al金属互化物的含量最好控制在峰比值(P％)至少为10％，P用下式表示：P(％)＝100×P1/(P1+P2)其中P1为Al13Fe4，Al5Fe2，Al3Fe和Al2Fe中至少一种富Al金属互化物的一个主峰高度，P2为AlFe和AlFe3的一个主峰高度。P1和P2可由扩散层外表面的X光衍射曲线获得。在图5的X光曲线中，峰比值可按43.3°的主峰高P1和43.7°的主峰高P2来确定。峰比值约为90％。
下面介绍制备本发明铁合金的方法。如果用沉淀硬化不锈钢做基质，铁合金按下法制备。即在基质表面形成一Al层制得涂铝(Al)层的基质。Al层可用热浸渍法，电镀法，真空沉积法。包层法或夹层压延法。经涂铝的基质在450-600℃的温度下保持0.5-4小时，分别将Al原子和Fe原子相互扩散进基质和铝层，以这种方式在涂层基质的表面形成上述扩散层。此外，由热处理导致了基质的沉淀硬化，因此基质的硬度至少达到400维氏硬度。由于扩散层是通过基质金属元素，Fe和Cr与Al层的Al元素间互扩散而形成的，因此就有可能获得扩散层和基质间优良的粘着性。如果温度低于450℃或保温时间短于0.5小时，互扩散不足以形成扩散层，也很难得到基质的沉淀硬化。如果温度高于600℃或保留时间长于4小时，沉淀硬化进行过度，基质的硬度下降。因此，最好当热处理温度在450和600℃间增高时，保留时间在0.5到4小时范围内减少。
另一方面，如果基质是用高碳不锈钢，铁合金则用下法制备。即，在基质表面形成铝层制得涂铝基质。涂铝基质在900-1100℃的温度下保留15-180秒，使得Al原子和Fe原子互扩散分别进入基质和铝层，以此法在涂层基质的表面形成上述扩散层。涂层基质再以10℃/秒或大于10℃/秒的速率冷却下来。由于冷却步骤导致了基质的淬火硬化，所以基质的硬度达到至少400维氏硬度。如果冷却速率低于10℃/秒，基质硬度无法通过淬火硬化得到提高。如果温度低于900℃，骤冷硬化的效果不充分。如果温度高于1100℃，或保留时间长于180秒，则会由于Al原子快速扩散进基质而导致扩散层硬度和接近扩散层的基质硬度下降。另一方面，如果保留时间短于15秒，基质的金属原子和铝层的铝原子间的互扩散不充分，无法形成扩散层，并且基质的淬火硬化也不均匀。因此，最好当热处理温度在900-1100℃增高时，保留时间在15-180秒范围内减少。
                   实施例1
以厚度为3mm的高碳不锈钢片用作基质。不锈钢含有13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其它为铁。用电镀法在基质的两面形成厚度为45μm的铝层，以制成厚度为3.09mm的涂铝基质。如表1所示，涂铝基质在空气中加热到1050℃，保留180秒钟，随后在60℃/秒冷却速率下冷却，制得实施例1的铁合金。
该铁合金带有厚度为45μm的Fe-Al扩散层。基质的维氏硬度为600。扩散层的表面硬度为900。硬度在2gf负荷下测得。根据扩散层外表面的X光衍射曲线按下式计算扩散层中Al-Fe金属互化物的体积比例(V：体积％)：
V(体积％)＝100×S1/(S1+S2)其中S1是X衍射图上算得的所有Al-Fe金属互化物和峰面积之和，S2是纯Al，和/或Fe在Al中主要形成固态溶液的Al合金(除开X衍射图中的Al-Fe金属互化物)的峰面积之和。实施例1的体积比例是97(体积)％。
此外，按下式计算峰比例(P：％)
P(％)＝100×P1/(P1+P2)其中P1是富铝金属互化物(Al2Fe，Al13Fe4，及/或Al5Fe2)的主峰(约43.3°)的峰高，P2是另一个Fe-Al金属互化物(AlFe和/或AlFe3)的主峰(约(43.7°)的峰高。在实施例1中，峰比例为40％。
从扩散层外表面起约2μm深处内的Al含量用X射线微区分析法测定。实施例1中，Al含量约为2μm扩散层区域总重量的45％。
对下述其他实施例和参考例样品也进行与实施例1相同的分析和测定。
                实施例2
以厚度为0.2mm的高碳不锈钢片用作基片。不锈钢含有13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其他为铁。将Al箔放在基片的两面后，将带有铝箔的基片进行压延以制得具有20μm铝层的覆铝基片。如表1所示，该复层基片在975℃空气中加热120秒，再以15℃/秒的冷却速率进行冷却以制得实施例2的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为20μm。基片的维氏硬度为480。扩散层的表面硬度为1020。
                   实施例3
以厚度为0.1mm的高碳不锈钢片为基片。不锈钢含16.5％(重量)的Cr，0.9％(重量)的C，0.4％(重量)的Mo，其他为铁。将15μm厚的铝箔放在基片的两面后，进行压延以制得厚度为0.12mm的覆铝基片。如表1所示，该复层基片在1000℃空气中加热30秒钟，再以10℃/秒的速率进行冷却以制得实施例3的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为13μm。基片的维氏硬度为500。扩散层的表面硬度为1000。
                   实施例4
以厚度为0.2mm的高碳不锈钢片为基片。不锈钢含12.5％(重量)的Cr，0-7％(重量)的C，其他为铁。将铝箔放在基片两面后，进行压延以制得铝层厚度为8μm的覆铝基片。如表1所示，该复层基片在900℃空气中加热180秒，再以30℃/秒的速率进行冷却以制得实施例4的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为8μm。基片的维氏硬度为420。扩散层的表面硬度为1100。
                  实施例5
以厚度为0.3mm的高碳不锈钢片为基片。不锈钢含14％(重量)的Cr，1.1％(重量)的C，其他为铁。将铝箔放在基片的两面后，进行压延以制得铝层厚度为15μm的覆铝基片。如表1所示，该复层基片在1100℃空气中加热15秒钟，再以20℃/秒的速率进行冷却以制得实施例5的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为15μm。基片的维氏硬度为550。扩散层的表面硬度为810。
                 实施例6
以厚度为0.18mm的高碳不锈钢片为基片。不锈钢含14％(重量)的Cr，1.0％(重量)的C，其他为铁。用真空沉积法在基片两个表面形成3μm厚的铝层以制得涂铝基片。如表1所示，涂层基片在1000℃，Ar和N2混合气体下加热15秒钟，再以10℃/秒的速率进行冷却以制得实施例6的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为3μm。基片的维氏硬度为550。扩散层的硬度为700。
              实施例7
以厚度为0.15mm的高碳不锈钢片为基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其他为铁。将铝箔放在基片的两面后，进行压延以制得厚度为10μm的覆铝基片。如表1所示，覆铝基片在975℃空气中加热30秒钟，再以15℃/秒的速率进行冷却以制得铝层实施例7的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为10μm。基片的维氏硬度为500。扩散层的表面硬度为1140。
              实施例8
以厚度为0.5mm的高碳不锈钢片为基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其他为铁。将6μm厚的铝箔放在基片两面后，进行压延以制得覆铝基片。如表1所示，该复层基片在925℃空气中加热60秒钟，再以30℃/秒的速率进行冷却，以制得实施例8的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为5μm。基片的维氏硬度为450。扩散层的表面硬度为1150。
            实施例9
以厚度为2mm的高碳不锈钢片为基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其他为铁。用真空沉积法在基片两面形成30μm厚的铝层，以制得涂铝基片。如表1所示，涂层基片在1000℃，Ar和N2混合气体下加热90秒钟，再以20℃/秒的速率进行冷却以制得实施例9的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为30μm。基片的维氏硬度为550。扩散层的表面硬度为630。
                 实施例10
以厚度为0.5mm的沉淀硬化不锈钢用作基片。不锈钢含18％(重量)的Cr，12％(重量)的Ni，0.1％(重量)的(C+N)，其余为铁。将厚度为13μm的铝箔放在基片的两面后，进行压延以制得厚度为0.48mm的覆铝基片。压延的覆铝基片再冷压成厚度为0.2mm。如表1所示。经压延的覆铝基片在Ar气中550℃下加热2小时以制得实施例10的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为5μm。基片的维氏硬度为550。扩散层的表面硬度为1100。
                   实施例11
以厚度为0.5mm的沉淀硬化不锈钢用作基片。不锈钢含18％(重量)的Cr，12％(重量)的Ni，0.1％(重量)的(C+N)，其余为铁。将厚度为9μm的铝箔放在基片的两面后，进行压延以制得厚度为0.48mm的覆铝基片。经压延的覆铝基片再冷压成厚度为0.2mm。如表1所示，经压延的覆铝基片在Ar气中500℃下加热4小时以制得实施例11的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为3μm。基片的维氏硬度为450。扩散层的表面硬度为1100。
                   实施例12
以厚度为0.5mm的沉淀硬化不锈钢用作基片。不锈钢含18％(重量)的Cr，12％(重量)的Ni，0.05％(重量)的(C+N)，其余为铁。将厚度为9μm的铝箔放在基片两面后，进行压延以制得厚度为0.48mm的覆铝基片。经压延的覆铝基片再冷压成厚度为0.2mm。如表1所示，经压延的覆铝基片在Ar气氛中600℃下加热2小时以制得实施例12的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为3μm。基片的维氏硬度为500。扩散层的表面硬度为850。
                   实施例13
以厚度为1mm的沉淀硬化不锈钢用作基片。不锈钢含16％(重量)的Cr，4％(重量)的Ni，4％(重量)的Cu，其余为铁。在1050℃温度下预处理该基片以形成固溶体。将6μm厚的铝箔放在经处理的基片的两面一起压延以制得覆铝基片。如表1所示。该覆铝基片在空气中490℃下加热4小时以制得实施例13的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为5μm。基片的维氏硬度为400。扩散层的表面硬度为1150。
                   实施例14
以厚度为0.2mm的沉淀硬化不锈钢用作基片。不锈钢含17％(重量)的Cr，7％(重量)的Ni，1％(重量)的Al，其余为铁。在1000℃温度下预处理该基片以形成固溶体。将6μm厚的铝箔放在经处理的基片两面一起压延以制得覆铝基片。如表1所示，该覆铝基片在757℃空气中加热1.5小时以制得实施例14的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为6μm。基片的维氏硬度为400。扩散层的表面硬度为1100。
                  实施例15
以厚度为0.2mm的沉淀硬化不锈钢用作基片。不锈钢含17％(重量)的Cr，7％(重量)的Ni，1％(重量)的Al，其余为铁。在1050℃温度下预处理该基片以形成固溶体。用真空沉积法在处理的基片表面形成厚度为3μm铝层的涂铝基片。如表1所示，涂层的基片在575℃空气中加热1.5小时以制得实施例15的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为3μm。基片的维氏硬度为410。扩散层的表面硬度为950。
                   比较例1
以厚度为0.15mm的高碳不锈钢片用作基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其余为铁。将铝箔放在基片的两面后一起压延以制得厚度为10μm的覆铝基片。如表1所示，该覆铝基片在1150℃空气中加热120秒钟，再以20℃/秒的速率冷却下来制得比较例1的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为10μm。基片的维氏硬度为300。扩散层的表面硬度为400。X光衍射分析表明，扩散层中不含有富铝的金属互化物Al2Fe，Al13Fe4，Al3Fe和Al5Fe2。但是在扩散层中含有AlFe和AlFe3等其它金属互化物。也测定了其体积比。
           比较例2
以厚度为0.18mm的高碳不锈钢片用作基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其余为铁。将铝箔放在基片两面后一起压延以制导厚度为10μm的覆铝基片。如表1所示，该覆铝基片在850℃空气中加热60秒钟，再以30℃/秒的速率冷却下来制得比较例2的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为10μm。基片的维氏硬度为350。扩散层的表面硬度为1200。
                比较例3
以厚度为0.15mm的高碳不锈钢片用作基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其余为铁。将铝箔放在基片两面后一起压延以制得厚度为10μm的覆铝基片。如表1所示，该覆铝基片在975℃空气中加热5秒钟，再以15℃/秒的速率冷却下来制得比较例3的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为10μm。基片的维氏硬度为350。扩散层的表面硬度为350。X光衍射分析表明，扩散层中不含有富铝的金属互化物Al13Fe4，Al3Fe和Al5Fe2。但是，X光衍射表明，扩散层含有另一些金属互化物AlFe和AlFe3，测定了体积百分比。此外，还表明扩散层含有纯Al。
                      比较例4
以厚度为0.15mm的高碳不锈钢片用作基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其余为铁。将铝箔放在基片两面后一起压延以制得厚度为10μm的覆铝基片。如表1所示，该覆铝基片在975℃空气中加热240秒钟，再以15℃/秒的速率冷却下来制得比较例4的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为10μm。基片的维氏硬度为400。扩散层的表面硬度为450。X光衍射分析表明，扩散层中不含有富铝的金属互化物Al2Fe，Al13Fe4，Al3Fe和Al5Fe2。由X光衍射表明扩散层含有另一些金属互化物AlFe和AlFe3，测定了其体积比。
                     比较例5
以厚度为0.15mm的高碳不锈钢片用作基片。不锈钢含13.5％(重量)的Cr，1.2％(重量)的Mo，0.4％(重量)的C，其余为铁。
将铝箔放在基片两面后一起压延以制得厚度为10μm的覆铝基片。如表1所示，该覆铝基片在975℃空气中加热30秒钟，再以3℃/秒的速率冷却下来制得比较例5的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为10μm。基片的维氏硬度为380。扩散层的表面硬度为1150。
                比较例6
以厚度为3mm的高碳不锈钢用作基片。不锈钢含14％(重量)的Cr，0.2％(重量)的C，其余为铁。用电镀铝法在基片表面镀上厚度为60μm的铝层，制得涂铝基片。如表1所示，该涂层基片在1100℃空气中加热150秒钟，再以60℃/秒的速率冷却下来制得比较例6的铁合金。
该铁合金的扩散层厚度为60μm。基片的维氏硬度为460，扩散层的表面硬度为950。
                  比较例7
以厚度为0.27mm的高碳不锈钢片用作基片。不锈钢含9％(重量)的Cr，0.5％(重量)的C，其余为铁。用真空沉积法在基片表面涂上厚度为1μm的铝层以制得涂铝基片。如表1所示，该涂层基片在950℃空气中加热15秒钟，再以10℃/秒的速率冷却下来制得比较例7的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为1μm。基片的维氏硬度为450，由于扩散层很薄，无法测定扩散层的表面硬度、Al含量、峰比例和体积比例。
                 比较例8
以厚度为0.5mm的沉淀硬化不锈钢片用作基片。不锈钢含18％(重量)的Cr，12％(重量)的Ni，0.05％(重量)的(C+N)，其余为铁。基片冷压到厚度为0.2mm。用真空沉积法在基质的表面形成厚度为1μm的铝层以制成涂铝基片。如表1所示，涂层的基片在600℃ Ar气氛中加热2小时以制得比较例8的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为1μm。基片的维氏硬度为500。由于扩散层很薄，无法测定扩散层的表面硬度、Al含量、峰比例和体积比例。
               比较例9
以厚度为0.5mm的沉淀硬化不锈钢片用作基片。不锈钢含18％(重量)的Cr，12％(重量)的Ni，0.05％(重量)的(C+N)，其余为铁。将9μm厚的Al箔放在基质的两个表面，基质和铝箔一起包覆制得厚度为0.48mm的覆铝基片。此外，将包覆的基片冷压成厚度0.2mm。如表1所示，包覆的基片在Ar气氛600℃下热处理0.3小时以制得比较例9的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为3μm。基片的维氏硬度为400。扩散层的表面硬度为300。X光衍射表明，扩散层不含有富铝的金属互化物Al13Fe4，Al3Fe和Al5Fe2。但是，X光衍射表明，扩散层含有另一些金属互化物AlFe和AlFe3，测定了其体积比。此外，还表明扩散层含有纯Al。
                比较例10
以厚度为0.5mm的沉淀硬化不锈钢片用作基片。不锈钢含18％(重量)的Cr，12％(重量)的Ni，0.05％(重量)的(C+N)，其余为铁。将9μm厚的Al箔放在基质的两个表面，基质和铝箔一起包覆制得厚度为0.48mm的覆铝基片。此外，将包覆的基片冷压成厚度0.2mm。如表1所示，包覆的基片在Ar气氛600℃下加热6小时，以制得比较例10的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为3μm。基片的维氏硬度为450。扩散层的表面硬度为450。X光衍射表明，扩散层不含有富铝的金属互化物Al2Fe，Al13Fe4，Al3Fe和Al5Fe2。但是，X光衍射表明，扩散层含有另一些金属互化物AlFe和AlFe3，测定了其体积比。
                  比较例11
以厚度为0.5mm的沉淀硬化不锈钢片用作基片。不锈钢含18％(重量)的Cr，12％(重量)的Ni，0.05％(重量)的(C+N)，其余为铁。将9μm厚的Al箔放在基片的两个表面，基片和铝箔一起包覆制得厚度为0.48mm的覆铝基片。此外，将包覆的基片冷压成厚度0.2mm。如表1所示，包覆的基片在Ar气氛650℃下加热2小时以制得比较例11的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为3μm。基片的维氏硬度为450。扩散层的表面硬度为500。
                 比较例12
以厚度为1mm的沉淀硬化不锈钢片用作基片。不锈钢含16％(重量)的Cr，4％(重量)的Ni，4％(重量)的Cu，其余为铁。基片在1050℃下预处理以形成固溶体。将6μm厚的Al箔放在经处理的基片两个表面，基片和铝箔一起压延成覆铝基片。如表1所示，覆铝的基片在Ar气氛400℃中处理4小时以制得比较例12的铁合金。
该铁合金的Fe-Al扩散层厚度为5μm。基片的维氏硬度为300。扩散层的表面硬度为250。X光衍射表明，扩散层含有纯Al。
对实施例1-15和比较例1-12，基片的组成和热处理条件列于表1。表2所列为扩散层的厚度(μm)和维氏硬度(HV)，从扩散层外表面至2μm深外的Al含量(重量％)，Al-Fe金属互化物与扩散层总体积的体积比(体积％)，Al-Fe金属互化物的X光峰值比(％)和基片的维氏硬度(HV)。
图6为扩散层的表面硬度(HV)与Al浓度(重量％)的关系，这些关系是由上述实施例和比较例的结果所得出的。从图6可看出，Al含量在35-65％(重量)范围间时，扩散层的硬度可达600-1200。相反，当Al含量低于35％(重量)，或高于65％时，扩散层的硬度下降得很多。
比较例6中，扩散层和基片的硬度分别为950和460。然而，如果用这种铁合金制备电动剃须刀的刀片时，由于扩散层非常厚(＝60μm)，会在刀片的锋口处出现大量微屑粒。
另一方面，图7为扩散层的表面硬度和峰比例(P％)间的关系。这些关系是由上述实施例和比较例的结果所得出的。从图7可看出，当峰比值为10％或更大时，扩散层的硬度可达600-1200。
这样，本发明铁合金可提供高硬度的扩散层，而又能保持基片硬度为400或大于400，就可较好地用作齿轮、轴承等滑动部件，以及电动剃须刀和理发轧剪的刀片。
            表1
(基质)               热处理
组分：重量％    温度(℃) 保温时间  冷却速率(℃/秒)
实施例1  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C   1050     180秒     60
实施例2  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C    975     120秒     15
实施例3  Fe-16.5Cr-0.9C-0.4Mo   1000     30秒     10
实施例4  Fe-12.5Cr-0.7C    900     180秒     30
实施例5  Fe-14Cr-1.1C   1100     15秒     20
实施例6  Fe-14Cr-1.0C   1000     15秒     10
实施例7  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C    975     30秒     15
实施例8  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C    925     60秒     30
实施例9  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C   1100     90秒     20
实施例10  Fe-18Cr-12Ni-0.1(C+N)    550     2小时     --
实施例11  Fe-18Cr-12Ni-0.1(C+N)    500     4小时     --
实施例12  Fe-18Cr-12Ni-0.05(C+N)    600     2小时     --
实施例13  Fe-16Cr-4Ni-4Cu    490     4小时     --
实施例14  Fe-17Cr-7Ni-1Al    575     1.5小时     --
实施例15  Fe-17Cr-7Ni-1Al    575     1.5小时     --
比较例1  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C   1150     120秒     20
比较例2  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C    850     60秒     30
比较例3  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C    975     5秒     15
比较例4  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C    975     240秒     15
比较例5  Fe-13.5Cr-1.2Mo-0.4C    975     30秒      3
比较例6  Fe-14Cr-0.2C   1100     150秒     60
比较例7  Fe-9Cr-0.5C    950     15秒     10
比较例8  Fe-18Cr-12Ni-0.05(C+N)    600     2小时     --
比较例9  Fe-18Cr-12Ni-0.05(C+N)    600     0.3小时     --
比较例10  Fe-18Cr-12Ni-0.05(C+N)    600     6小时     --
比较例11  Fe-18Cr-12Ni-0.05(C+N)    650     2小时     --
比较例12  Fe-16Cr-4Ni-4Cu    400     4小时     --
               表2
                   Al-Fe扩散层     基质
    厚度(μm)   硬度(Hv)   Al含量(重量％)  体积比率(％) 峰比率(％)     硬度(Hv)
实施例1     45    900     45     97    40     600
实施例2     20   1020     50     98    50     480
实施例3     13   1000     47     98    55     500
实施例4     8   1100     54     100    75     420
实施例5     15    810     43     95    25     550
实施例6     3    700     37     92    15     550
实施例7     10   1140     62     100    90     500
实施例8     5   1150     59     100    80     450
实施例9     30    630     35     90    10     550
实施例10     5   1100     55     100    70     550
实施例11     3   1100     52     100    65     450
实施例12     3    850     42     95    30     500
实施例13     5   1150     60     100    80     400
实施例14     6   1100     57     100    70     400
实施例15     3    950     47     97    42     410
比较例1     10    400     30     100     0     300
比较例2     10   1200     65     95    95     350
比较例3     10    350     80     85     0     350
比较例4     10    450     30     100     0     400
比较例5     10   1150     62     100    90     380
比较例6     60    950     45     97    40     460
比较例7     1     --     --     --    --     450
比较例8     1     --     --     --    --     500
比较例9     3    300     70     85     0     400
比较例10     3    450     30     100     0     450
比较例11     3    500     33     100     5     450
比较例12     5    205     75     80     5     300

Claims (8)

1.一种具有硬度提高的Fe-Al扩散层的铁合金，所说的铁合金包括：
一种维氏硬度为400或以上的Fe-Cr不锈钢基片；形成在所述基片上的Fe-Al扩散层；所说的扩散层的厚度为2～50μm，所含的Al和Fe的金属互化物(相对所说扩散层的总体积)至少为90(体积)％；所说Fe-Al扩散层的至少2μm深处内所含有的Al数量为至少2μm厚度范围内所说Fe-Al扩散层的总重量的35～45(重量)％。
2.如权利要求1所述的铁合金，其中，所说的金属互化物含有至少一种选自Al2Fe，Al13Fe4，Al3Fe和Al5Fe2的物质。
3.如权利要求2中所述的铁合金，其中，所说的扩散层包含的所说金属互化物的含量使所说的Fe-Al扩散层的峰比例为至少10％，峰比例定义为100×P1/(P1+P2)。这里P1为所说金属互化物的一个主峰高度，P2为AlFe和AlFe3的一个主峰高度，所说的P1和P2是由对所说扩散层的外表面进行X光衍射所得的曲线测定的。
4.如权利要求1中所述的铁合金，其中，所说的Fe-Al扩散层的厚度为5～15μm。
5.如权利要求1中所述的铁合金，其中，所说的基片含有66～81.9(重量)％的Fe，15～20(重量)％的Cr，3～13(重量)％的Ni和至少一种下述元素，3～6(重量)％的Cu，0.5～2(重量)％的Al，0.01～0.2(重量)％的(C+N)。
6.如权利要求1中所述的铁合金，其中，所说的基片含有73～89.9(重量)％的Fe，10～19(重量)％的Cr，0.1～1.2(重量)的C和小于3(重量)％的Ni。
7.一种制备带有硬度提高的Fe-Al扩散层的铁合金的方法，所说的方法包括下述步骤：
在一基片上涂覆上Al表面层以制得涂层的基片，
所说的基片含66～81.9(重量)％的Fe，15～20(重量)％的Cr，3～13(重量)％的Ni和一种下述元素，3～6(重量)％的Cu，0.5～2(重量)％的Al，0.01～0.2(重量)％的(C+N)；
对所说的涂层基片在450～600℃的温度加热0.5～4小时，使所说的基质维氏硬度达400或更高，同时铝原子和铁原子相互扩散分别进入所说的基质和铝层，在所说的涂层基层上形成2～50μm厚的所说的Fe-Al合金表面层，其中Al和Fe金属互化物占所说扩散层总体积90％以上。
8.一种制备具有硬度提高的Fe-Al扩散层的铁合金的方法，所说的方法包含下列步骤：
在基质上涂履Al表面层以形成涂层基质，所说的基质含73～89.9(重量)％的Fe、10～19(重量)％的Cr、0.1～1.2(重量)％的C及少于3(重量)％的Ni；
在900～1100℃温度热处理所说的涂层基质15～180秒，使铝原子和铁原子互扩散分别进入所说的基质和所说的Al层，在所说的涂层基质上形成2～50μm厚的所说Fe-Al合金表面层，其中Al和Fe金属互化物占所说扩散层总体积90％以上；和
以10℃/秒或更快的速率使所说的涂层基质从所说的温度冷却以制得维氏硬度为400或更大的所说基质。
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