CN101235478B - 钢板表面纳米诱导氮合金化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢板表面纳米诱导氮合金化的方法。该方法具有以下步骤：将钢板进行预处理；将Fe₂O₃或TiO₂球磨至10～100nm，在NH₃氛下，450±20℃热处理5～8小时得到氮杂化的Fe₂O₃或氮杂化的TiO₂，添加甘油将氮杂化的Fe₂O₃或氮杂化的TiO₂粉体经球磨16小时～48小时制成浆料，甘油∶粉体比例为1∶0.5～5，涂于上述钢板表面，涂覆厚度为0.1～0.5μm；采用常规冷轧钢板生产工序中的全氢罩式退火工艺，将步骤b所得钢板在氢气气氛中，以0.1～50℃/s的升温速率，至700～1000℃，保温48～96小时，然后以0.1～50℃/s降温至室温，即得到纳米诱导氮合金化的钢板。本发明方法利用纳米粉体在较低温度(压力)下(500摄氏度以下，1个大气压)诱导氮杂化，结合现有冷轧钢板生产工艺可实现大规模连续工业化生产，可在钢板表面选择性富集不同金属并进行氮合金化。

Description

钢板表面纳米诱导氮合金化的方法

技术领域

本发明涉及一种钢板表面纳米诱导氮合金化的方法，属于钢材表面处理领域。

背景技术：

目前，我国的钢产量已突破4亿吨大关，它是世界上第二，三，四钢产大国钢产量的总和。但是与我国钢铁工业产量龙头老大不能匹配的是，与国外同类钢铁企业相比，国产钢铁制品的质量，尤其是表面质量与进口产品还存在差距。钢铁制品要获得高表面质量，表面合金化技术是一条有效的解决途径。此外，将昂贵的合金元素有效富集于钢板表面，也可大幅度降低钢铁制品的成本，扩展钢铁制品的应用范围。因此高效适用于大规模工业化应用的钢板表面合金化技术一直是钢铁研究领域的热点之一。

近年来，高氮钢和高氮不锈钢成为钢铁冶金领域研究的前沿。一般认为基体组织为奥氏体且含氮量超过0.4wt％，或基体组织为铁素体且含氮量超过0.08wt％的钢才可称为高氮钢。氮在铁基固溶体中一个最显著和最有效的作用是稳定面心立方晶格，同时在固溶强化、晶粒细化硬化、加工硬化、应变时效、耐全面腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀方面起积极作用。以奥氏体不锈钢为例，氮是强烈的奥氏体形成和稳定化元素，利用氮来部分取代或与锰元素结合来完全取代贵金属镍，可以更加稳定奥氏体组织，在显著提高不锈钢强度的同时不损害其延性，而且能够提高不锈钢的耐局部腐蚀能力(如晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等)。同时，氮在自然界大量存在，成本低廉，正是由于产品质量和成本方面的双收益，近年来高氮低镍奥氏体不锈钢的研究已成为材料科学与工程学科中一个十分活跃的前沿领域

虽然氮元素是一种较为活泼的非金属元素，但是由于氮是气体元素，制备高氮钢需要特殊工艺及专用设备，例如增压电渣重溶、反压铸造及粉末冶金等方法，需要较高的温度和压力(1000摄氏度以上，10个大气压以上)。钢板表面渗氮处理有化学渗氮法、离子注入法、等离子溅射法等方法，也需要较高的温度和真空度(1000摄氏度以上，0.01个大气压以下)。

目前，国内外虽然已经对高氮钢、高氮不锈钢的制备、性能及应用研究作了大量的工作，但仍有许多问题有待研究解决。如钢中氮含量难以精确控制和均匀分布；高氮不锈钢的价格成本较高，其推广应用不够广泛；现有的工艺还不够稳定，不适应规模化大生产等。这还需要研究者们进一步去改进工艺，提高产品性能，扩大产品应用范围。此外，前面所述钢板表面氮合金化方法(化学渗氮法、离子注入法、等离子溅射法等)虽能有效赋予钢板表面一定程度的氮合金化，但是这些工艺对设备要求较高，且大规模工业化应用存在一定的局限性。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供一种钢板表面纳米诱导氮合金化的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钢板表面纳米诱导氮合金化的方法，其特征在于该方法具有以下步骤：

a.将钢板进行预处理；

b.将Fe₂O₃或TiO₂球磨至10～100nm，在NH₃氛下，450±20℃热处理5～8小时得到氮杂化的Fe₂O₃或氮杂化的TiO₂，添加甘油将氮杂化的Fe₂O₃或氮杂化的TiO₂粉体经球磨16小时～48小时制成浆料，甘油∶粉体比例为1∶0.5～5，涂于上述钢板表面，涂覆厚度为0.1～0.5μm；

c.采用常规冷轧钢板生产工序中的全氢罩式退火工艺，将步骤b所得钢板在氢气气氛中，以0.1～50℃/s的升温速率，至700～1000℃，保温48～96小时，然后以0.1～50℃/s降温至室温，即得到纳米诱导氮合金化的钢板。

与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出特点和显著优点：本发明方法利用纳米粉体在较低温度(压力)下(500摄氏度以下，1个大气压)诱导氮杂化，结合现有冷轧钢板生产工艺可实现大规模连续工业化生产，可在钢板表面选择性富集不同金属并进行氮合金化。

具体实施方式：

实施例一：具体步骤如下：

1.取20#碳钢板材20×20mm。所得金属经碱洗、酸洗、水洗后晾干备用。

2.称取20g Fe₂O₃球磨至50nm，在NH₃氛下，450℃热处理5h得到氮杂化的Fe₂O₃，添加甘油5g将粉末制成凝胶，滚涂于1所述20#碳钢板表面，浆料厚度为0.1μm。

3.用冷轧钢板生产工序中的全氢罩式退火工艺处理步骤2所得20#碳钢板，在99.9％氢气气氛下，升温至合金化处理温度，升温速率为10℃/s。合金化工作温度800℃。保温48小时，然后降温，降温速率为10℃/s。在强还原气氛下将氮杂化的Fe₂O₃纳米粉体还原为氮杂化金属，融入铁基固溶体。

采用SEM结合EDAX能谱分析处理后样品表面20nm范围的界面层元素分布，结果表明，利用本条件处理的20#碳钢板表面层20nm附近富集氮元素含量达0.12％。

实施例二：具体步骤如下：

1.取20#碳钢板材20×20mm。所得金属经碱洗、酸洗、水洗后晾干备用。

2.称取20g Fe₂O₃球磨至30nm，在NH₃氛下，450℃热处理5h得到氮杂化的Fe₂O₃，添加甘油5g将粉末制成凝胶，滚涂于1所述20#碳钢板表面，浆料厚度为0.2μm。

3.用冷轧钢板生产工序中的全氢罩式退火工艺处理2所述20#碳钢板，气氛为99.9％氢气，升温至合金化处理温度，升温速率为2℃/s。合金化工作温度1000℃。保温96小时，然后降温，降温速率为2℃/s。在强还原气氛下将氮杂化的Fe₂O₃纳米粉体还原为氮杂化金属，融入铁基固溶体。

采用SEM结合EDAX能谱分析处理后样品表面20nm范围的界面层元素分布。结果表明，利用本条件处理的20#碳钢板表面层20nm附近富集氮元素含量达0.18％。

实施例三：具体步骤如下：

1.取304不锈钢20×20mm。所得金属经碱洗、酸洗、水洗后晾干备用。

2.称取20g Fe₂O₃球磨至30nm，在NH₃氛下，450℃热处理5h得到氮杂化的Fe₂O₃，添加甘油5g将粉末制成凝胶，滚涂于1所述304不锈钢表面，浆料厚度为0.3μm。

3.用冷轧钢板生产工序中的全氢罩式退火工艺处理2所述304不锈钢板，气氛为99.9％氢气，升温至合金化处理温度，升温速率为2℃/s。合金化工作温度1000℃。保温96小时，然后降温，降温速率为2℃/s。在强还原气氛下将氮杂化的Fe₂O₃纳米粉体还原为氮杂化金属，融入铁基固溶体。

采用SEM结合EDAX能谱分析处理后样品表面20nm范围的界面层元素分布。结果表明，利用本条件处理的304不锈钢板表面层20nm附近富集氮元素含量达0.34％。

实施例四：具体步骤如下：

4.取304不锈钢20×20mm。所得金属经碱洗、酸洗、水洗后晾干备用。

5.称取20g TiO₂球磨至30nm，在NH₃氛下，450℃热处理5h得到氮杂化的TiO₂，添加甘油5g将粉末制成凝胶，滚涂于1所述304不锈钢表面，浆料厚度为0.3μm。

6.用冷轧钢板生产工序中的全氢罩式退火工艺处理2所述304不锈钢板，气氛为99.9％氢气，升温至合金化处理温度，升温速率为2℃/s。合金化工作温度1000℃。保温96小时，然后降温，降温速率为2℃/s。在强还原气氛下将氮杂化的TiO₂纳米粉体还原为氮杂化金属，融入铁基固溶体。

采用SEM结合EDAX能谱分析处理后样品表面20nm范围的界面层元素分布。结果表明，利用本条件处理的304不锈钢板表面层20nm附近富集氮元素含量达0.18％。

将上述四个实例所制样品进行盐雾试验评定，结果耐小孔腐蚀性能由高到低依次是实例三，实例四，实例二，实例一。上述四个实例所制样品的耐小孔腐蚀性能皆优于20号碳钢和304不锈钢。

Claims (1)

1.一种钢板表面纳米诱导氮合金化的方法，其特征在于该方法具有以下步骤：

a.将钢板进行预处理；

b.将Fe₂O₃或TiO₂球磨至10～100nm，在NH₃气氛下，450±20℃热处理5～8小时得到氮杂化的Fe₂O₃或氮杂化的TiO₂，添加甘油将氮杂化的Fe₂O₃或氮杂化的TiO₂粉体经球磨16小时～48小时制成浆料，甘油∶粉体比例为1∶0.5～5，涂于上述钢板表面，涂覆厚度为0.1～0.5μm；

c.采用常规冷轧钢板生产工序中的全氢罩式退火工艺，将步骤b所得钢板在氢气气氛中，以0.1～50℃/s的升温速率，至700～1000℃，保温48～96小时，然后以0.1～50℃/s降温至室温，即得到纳米诱导氮合金化的钢板。