CN101550525A

CN101550525A - 一种用助镀剂改善碳钢与镍基合金结合界面的方法

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Publication number: CN101550525A
Application number: CNA2009100817897A
Authority: CN
Inventors: 林涛; 高治山; 王立生; 郭志猛; 邵慧萍; 罗骥; 郝俊杰
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: CN101550525B

Abstract

本发明属于冶金技术领域，涉及一种用助镀剂改善普通碳钢与镍基合金结合界面的方法。其特征在于：先将钢基体喷砂处理，然后将喷砂处理后的钢基体浸入预先配置好的助镀剂水溶液中，浸泡几分钟后，将钢基体取出烘干其水分和结晶水，最后热浸镀镍基合金，其中助镀剂的组成为KF和KCl复合水溶液，或者KF、KCl和K₂ZrF₆复合水溶液。该助镀剂的特点是助镀剂对镍基合金镀液不产生有害作用，具有组分稳定性好、不易挥发、无污染、无烟，烘干温度范围较宽，能有效地防止钢基体在浸镀前被空气氧化，而且可以有效提高钢基体的表面活性，使镍基合金镀液很快地润湿钢表面并与其反应，确保得到良好的冶金结合层。

Description

一种用助镀剂改善碳钢与镍基合金结合界面的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种用助镀剂改善普通碳钢与镍基合金结合界面的方法。

背景技术

目前制备镍基涂层的方法有热喷涂法、真空熔覆法等，但是都有自身的局限性。如：热喷涂法制备的镍基涂层空隙率比较大，且对环境污染比较严重，涂层质量低等；真空熔覆所用设备昂贵，生产周期长，存在着一定元素挥发现象等。本发明人用热浸镀的方法制备镍基耐磨耐蚀涂层现在已经取得了很大突破(一种镍基耐磨耐蚀合金热浸镀方法，申请号：200510011589.6)，热浸镀镍基合金技术最大的优点就是成本低，生产周期短，生产效率高，对环境污染小等。镍基涂层具有优良的耐磨耐蚀性，可以起到用极少量的材料起到大量、昂贵的整体材料难以起到的作用，极大地降低产品的加工成本，从而达到提高包装产品质量、延长使用寿命、节约资源和能源。热浸镀镍基合金的基本工艺是：将钢基体进行表面预处理，使其露出新鲜且带有一定粗糙度的表面，然后将其浸入具有气氛保护且温度范围在980℃～1150℃的镍基镀液中，浸镀时间为0.5～60s，然后将基体从镀液中取出，在真空或者惰性气体保护下进行自然冷却，得到镍基合金镀层。该发明所用的镍基合金成分按重量百分比为Cr：5～20％，B：1～6％，Si：1～6％，C：0～1.1％，Fe：≤10％，Ni：余量。但是目前热浸镀镍基合金存在钢基体与镍基镀层结合效果不好，结合力不高的缺点。

热浸镀技术在工业生产中已得到广泛的应用，用于在钢材表面镀锌或铝，起到钢材表面防腐的作用。目前热浸镀锌铝中使用的助镀剂基本是水溶液助镀剂，基本工艺是先将酸洗后的钢材在水溶液助镀剂中浸渍适当时间，经干燥后其表面形成一层保护膜，再在熔融的锌铝合金镀液中浸镀。从目前公开发表的资料来看，热浸镀锌铝过程中使用的水溶液助镀剂有：

(1)含ZnCl₂91～97％，NH₄Cl3～9％和适量的NaF及其它氟化物的水溶液；

(2)含ZnCl₂85～92％和适量NaF、NH₄F的水溶液；

(3)含ZnCl₂280～300g/L，NH₄Cl200～220g/L和NH₄F44～60g/L的水溶液；

(4)含ZnCl₂400～420g/L，NH₄Cl80～100g/L和KCl10～12g/L的水溶液。

上述各种水溶液助镀剂中的氯化锌氨复盐含量高，在热浸镀过程中，氯化铵分解成NH₃和HCl，产生的这些气体不仅会使钢基体局部难镀覆，其表面出现镀层不连续(漏镀)现象，而且会降低钢基体与镀层之间的结合效果，影响镀层的质量。因此，这些助镀剂都不适合在热浸镀镍基合金中使用。再加上锌铝的浸镀的温度都比较低，热浸镀锌铝中使用的助镀剂满足不了热浸镀镍基合金的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合于热浸镀镍基过程中使用的助镀剂，以克服热浸镀镍基合金存在钢基体与镍基镀层结合效果不好，结合力不高的缺点。

本发明的用助镀剂改善普通碳钢与镍基合金结合界面的方法为：钢基体表面经过喷砂预处理，然后通过浸泡覆盖一层助镀剂，在110～160℃烘干助镀剂中的水分和结晶水之后，浸入到镍基合金镀液中，再从镀液中取出，空冷得到镍基合金涂层。

本发明所用的镍基合金成分可以是按重量百分比为Cr：5～20％，B：1～6％，Si：1～6％，C：0～1.1％，Fe：≤10％，Ni：余量。该镍基合金的浸镀温度为980℃～1150℃，浸镀时间为0.5～60s。

采用的助镀剂成分重量百分比为5％～15％的KF和10％～30％的KCl复合水溶液或者是助镀剂为5％～10％的KF、1％～10％的KCl和5％～20％的K₂ZrF₆复合水溶液。

具体步骤如下：

一、钢基体表面预处理

钢基体表面在运输和储藏过程中会有油污、铁锈和氧化皮，在其表面热浸镀镍基合金前必须进行充分清洗。因此为了得到新鲜的钢基体表面，采用喷砂处理来除去钢基体表面的油污、铁锈和氧化皮，同时可以得到新鲜且粗糙的钢基体表面，增大了钢基体与涂层之间的接触面积，有利于提高钢基体与镍基涂层之间的界面结合强度。在喷砂过程中，将压缩空气的压力控制在200～300KPa，采用粒径在900～1200微米的刚玉砂作为磨料。

二、助镀剂的使用

采用助镀剂成分重量百分比为5％～15％的KF和10％～30％的KCl复合水溶液助镀剂或者是5％～10％的KF、1％～10％的KCl和5％～20％的K₂ZrF₆复合水溶液助镀剂浸泡钢基体，在50℃～80℃中的助镀剂水溶液中，钢基体浸泡2min～5min，然后将钢基体取出，钢基体表面覆盖了一层完整的助镀剂膜。它的作用是防止钢基体在热浸镀之前被再次氧化，并在热浸镀时活化钢基体表面，以提高镍基镀液对钢基体的润湿和拓展能力。

三、烘干

将钢基体从助镀剂水溶液中取出后，放入110℃～160℃的干燥箱中进行彻底干燥。烘干的目的是为了除去助镀剂中的水和结晶水，防止钢基体浸入前镍基镀液再次氧化生锈，从而降低了镍基镀液与基体之间的结合力。

四、热浸镀镍基合金

首先进行镍基合金的熔炼，按重量百分比Cr：5～20％，B：1～6％，Si：1～6％，C：0～1.1％，Fe：≤10％，Ni：余量，进行配料，并且在熔炼过程中进行气氛保护(N₂保护)，当物料完全熔化且镀液干净后，将充分干燥的钢基体浸入980℃～1150℃的镍基镀液中，并通过移动钢基体使钢基体与镍基合金界面处的气体和杂质上浮，从而使镍基镀液与钢基体之间充分润湿与铺展，以形成良好的结合界面。将钢基体在镀液中移动0.5～60s后，从镀液中取出，在空气中自然冷却，通过移动钢基体可以保证钢基体表面的温度均匀，从而得到的镀层厚度均匀，表面光滑。

五、成品性能检测

浸镀完成后先进行宏观分析，然后对其做界面结合强度的测定。宏观分析是观察表面是否存在漏镀和鼓包现象等。

本发明提供的水溶液助镀剂具有以下优点：

(1)防止钢基体在热浸镀之前被再次氧化，并在热浸镀时活化钢基体表面，以提高镍基镀液对钢基体的润湿和拓展能力；同时对镍基镀液中的氧化物有一定的溶解作用，有利于提高镀层质量。

(2)助镀剂的组分稳定性好、不易挥发、无烟雾产生，烘干温度范围较宽(110℃～160℃)。

(3)钢基体助镀处理后，干燥速度快，且不容易反潮。

(4)助镀剂对镍基合金不产生有害作用，且助镀剂价格低廉，废液容易处理，对环境不造成污染。

(5)镀层表面平整光滑，无漏镀现象，没有杂色斑。

(6)镀层与钢基体之间的结合效果明显变好，结合力增大。

具体实施方式

实施例1：

一、钢基体表面预处理

在喷砂过程中，将压缩空气的压力控制在240KPa，采用粒径在1000微米的刚玉砂作为磨料。喷砂时间不宜过长或过短，当基体露出新鲜表面时，即可对钢基体停止喷砂，在喷砂过程要不断移动喷枪，避免在钢基体同一地方停留时间过长。当喷砂完毕后，用气枪将钢基体表面的的残留物吹去，保证一个新鲜干净且有一定粗糙度的钢基体浸入助镀剂中。

二、助镀剂的使用

将钢基体浸入到温度为70℃的5％的KF和10％的KCl复合水溶液助镀剂中，浸泡时间为4min。钢基体在助镀剂溶液中要保持垂直悬挂状态，以避免钢基体与容器壁接触，从而导致助镀剂没有完全覆盖钢基体表面。要经常检测助镀剂溶液中各成分的含量是否在所要求的范围，并随时补充各成分。

三、烘干

将从助镀剂水溶液中取出的钢基体悬挂放入烘干箱内干燥，温度控制在140℃，维持3小时。

四、热浸镀镍基合金

首先进行镍基合金的熔炼，镍基合金成分按重量百分比为Cr：5～20％，B：1～6％，Si：1～6％，C：0～1.1％，Fe：≤10％，Ni：余量，并且在熔炼过程中进行气氛保护(N₂保护)，在钢基体浸入镍基合金镀液前，要除去镀液表面的钢渣，将彻底干燥的钢基体浸入到1150℃的镍基镀液中，并保持钢基体在镀液中移动，10s后取出基体，然后在空气中进行自然冷却，得到镍基合金镀层。

五、成品性能检测

5.1宏观检测

钢基体表面的镀层连续性好，表面平整光滑，没有漏镀和鼓包现象出现，镀层厚度可以达到0.05mm～2mm，从而可以很好地起到保护基体的作用。

5.2界面结合强度的检测

按GB/T6396-1995对制品进行剪切强度的测定，结果发现，使用助镀剂后平均剪切强度可以达到210MPa，比原来提高了将近70MPa。

实施例2：

先对钢基体进行喷砂处理，得到新鲜粗糙的钢表面，然后将钢基体浸入到温度为60℃的15％KF和30％KCl复合水溶液助镀剂中，浸泡时间为2min。将钢基体从助镀剂溶液中取出后，在120℃的烘干箱中烘干4小时，浸入到镍基合金镀液中，再从镀液中取出，空冷得到镍基合金涂层。

实施例3：

先对钢基体进行喷砂处理，得到新鲜粗糙的钢表面，然后将钢基体浸入到温度为80℃的10％KF和20％KCl复合水溶液助镀剂中，浸泡时间为3min。将钢基体从助镀剂溶液中取出后，在130℃的烘干箱中烘干4小时，浸入到镍基合金镀液中，再从镀液中取出，空冷得到镍基合金涂层。

实施例4：

先对钢基体进行喷砂处理，得到新鲜粗糙的钢表面，然后将钢基体浸入到温度为75℃的5％的KF、1％的KCl和5％的K₂ZrF₆复合水溶液助镀剂中，浸泡时间为5min。将钢基体从助镀剂溶液中取出后，在160℃的烘干箱中烘干2小时，浸入到镍基合金镀液中，再从镀液中取出，空冷得到镍基合金涂层。

实施例5：

先对钢基体进行喷砂处理，得到新鲜粗糙的钢表面，然后将钢基体浸入到温度为65℃的10％的KF、10％的KCl和20％的K₂ZrF₆复合水溶液助镀剂中，浸泡时间为4min。将钢基体从助镀剂溶液中取出后，在140℃的烘干箱中烘干4小时，浸入到镍基合金镀液中，再从镀液中取出，空冷得到镍基合金涂层。

实施例6：

先对钢基体进行喷砂处理，得到新鲜粗糙的钢表面，然后将钢基体浸入到温度为75℃的7％的KF、5％的KCl和12％的K₂ZrF₆复合水溶液助镀剂中，浸泡时间为4min。将钢基体从助镀剂溶液中取出后，在170℃的烘干箱中烘干4小时，浸入到镍基合金镀液中，再从镀液中取出，空冷得到镍基合金涂层。

Claims

1.一种用助镀剂改善普通碳钢与镍基合金结合界面的方法，其特征在于：钢基体表面经过喷砂预处理，然后在助镀剂中浸泡2～5min，再在110～160℃烘干助镀剂中的水分和结晶水之后，浸入到镍基合金镀液中，再从镀液中取出，空冷得到镍基合金涂层；助镀剂为含有重量百分数为5％～15％的KF和10％～30％的KCl的复合水溶液助镀剂；所用的镍基合金成分是按重量百分比为Cr：5～20％，B：1～6％，Si：1～6％，C：0～1.1％，Fe：≤10％，Ni：余量；镍基合金的浸镀温度为980℃～1150℃，浸镀时间为0.5～60s。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用的助镀剂为含有重量百分数5％～10％的KF、1％～10％的KCl和5％～20％的K₂ZrF₆的复合水溶液助镀剂。