CN101665901A - 在工件表面制备ZnAlTi多元合金防腐涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种在工件表面制备防腐涂层的方法，包括：提供包括以下重量百分比的共渗剂粉末：15wt％～30wt％的锌粉、10wt％～20wt％的铝粉、10wt％～20wt％的钛粉、0.1％～2.0％的活化剂粉、余量的填充剂；将工件包埋在所述共渗剂粉末中加热至400℃～500℃，保温3小时～10小时进行共渗处理。与现有技术相比，本发明通过共渗剂粉末中添加了一部分钛，并改变了共渗剂中其它成分的含量，实验结果表明，防腐涂层增加钛元素后，防腐涂层的抗腐蚀性能和表面硬度均得到了明显的改善。
Description
技术领域
本发明涉及金属防腐涂层的制备方法，具体涉及一种在工件表面制备ZnAlTi多元合金防腐涂层的方法。
背景技术
高速、普通铁路零部件是保证铁路行车安全的关键部件。由于行车时将产生弹性跳动使紧固件等工件承受震动型摩擦，产生不等幅的交变振动疲劳应力、瞬时冲击咬合磨损等复杂外力作用，因此需要零部件具有足够高的硬度、抗咬合性、抗疲劳等力学性能。
然而，由于常年经受日晒雨淋、冬冷夏热，使用环境恶劣，常因大气及雨水腐蚀而产生锈蚀，易导致零部件的力学性能大幅度下降，早期失效，造成行车安全隐患。因此，需要对零部件进行高质量的表面防腐处理，防止产生锈蚀，提高零部件的表面耐腐蚀性能，延长其使用寿命，从而提高铁路行车安全系数。
目前，已经公开了多种工件表面防腐处理方法。例如，锌铝合金共渗工艺是目前比较常用的金属工件防腐处理方法，该工艺是利用加热状态下金属原子的渗透扩散作用，在金属基体没有相变的条件下，将锌铝元素渗入到钢铁构件表面，形成合金保护层，提高工件表面的抗腐蚀、抗表面氧化及耐磨性能等。但是，由于该工艺制备的含有锌铝涂层的工件的防腐性能单一、性能不稳定，长时间应用时会导致防腐性能下降，因此已经逐渐被新的防腐处理工艺所代替。
例外，还有人考虑在工件表面制备复合涂层来改善工件的表面性能。例如，中国专利CN100503890C公开了一种多元共渗合金共渗加封闭的涂层，该涂层是由第一层的多元合金共渗渗层与钝化层和第二层的封闭层组成，其中第一层多元合金共渗渗层与钝化层中，多元合金共渗渗层是由锌、铝和氧化镧组成；第二层封闭层是由锌和铝与环氧树脂组成。虽然上述涂层具有很好的防腐效果，但是工件表面力学性能并不能得到明显改善，而且工艺复杂。
发明内容
本发明解决的技术问题在于，提供一种在工件表面制备防腐涂层的方法，通过该方法来提高防腐涂层的抗腐蚀性能和表面硬度。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种在工件表面制备防腐涂层的方法，包括：
提供包括以下重量百分比的共渗剂粉末：15wt％～30wt％的锌粉、10wt％～20wt％的铝粉、10wt％～20wt％的钛粉、0.1wt％～2.0wt％的活化剂粉、余量的填充剂；
将工件包埋在所述共渗剂粉末中加热至400℃～500℃，保温3小时～10小时进行共渗处理。
优选的，所述共渗剂粉末包括：20wt％～25wt％的锌粉。
优选的，所述共渗剂粉末包括：12wt％～18wt％的钛粉。
优选的，所述填充剂为石英砂。
优选的，所述活化剂选自氯化铵、氯化锌中的一种或多种。
优选的，在将所述工件包埋在共渗剂粉末之前。
优选的，所述共渗剂粉末还包括：2wt％～10wt％的稀土氧化物粉。
优选的，所述稀土氧化物粉为氧化钇粉、氧化镧粉、氧化铈粉、氧化镨粉、或氧化钕粉中一种或多种。
优选的，所述共渗剂粉末还包括：1wt％10wt％的Sr2Nb2O7粉末。
优选的，所述方法还包括继续将所述工件和共渗剂粉末升温至400℃～500℃、保温3小时～10小时进行共渗处理。
本发明提供一种在工件表面制备防腐涂层的方法，与现有技术相比，在本发明提供的共渗剂中包含一部分钛，实验结果表明，防腐涂层增加钛元素后，抗腐蚀性能和表面硬度均得到了明显的改善。
具体实施方式
本发明提供的在工件表面制备防腐涂层的一个方案，包括：
提供以下重量百分比的共渗剂粉末：15wt％～30wt％的锌粉、10wt％～20wt％的铝粉、10wt％～20wt％的钛粉、余量的填充剂；
将所述工件包埋在所述共渗剂粉末中加热至400℃～500℃，保温3小时～10小时进行共渗处理。
按照本发明，所述工件指本领域技术人员熟知的用于高速铁路、普通轨道上的螺栓、防落梁、轨道压板等零部件。铁路轨道工件的材质一般为本领域技术人员熟知的碳钢或合金钢。
在本发明提供的共渗剂粉末中，包括锌、铝、钛。与现有技术相比，添加一部分钛后，可以有效提高防腐涂层的抗腐蚀性能，并且相应的硬度也得到改善。按照本发明，在共渗剂粉末中，锌粉含量为15wt％～30wt％(重量百分比)，优选为18wt％～28wt％，更优选为20wt％～25wt％，所述锌粉的粉末粒径优选为50目～200目，更优选为100目～200目。所述共渗剂粉末中铝粉含量优选为10wt％～20wt％，优选为12wt％～16wt％，所述铝粉的粉末粒径优选为50目～200目，更优选为100目～200目。所述共渗剂粉末中钛粉含量优选为10wt％～20wt％，优选为12wt％～18wt％，钛粉粒径优选为50目～200目，更优选为100目～200目。
在本发明提供的共渗剂粉末中，活化剂粉的含量为0.1wt～2.0wt％，优选为0.5wt～1.5wt％，活化剂粉的粒径优选为50目～200目，更优选为100目～200目，活化剂可以选自本本领域技术人员熟知的氯化铵、氯化钾中的一种或多种。所述共渗剂粉末中，填充剂优选为石英砂，填充剂粉末的粒径优选为50目～200目，更优选为100目～200目。
按照本发明，还可以在所述共渗剂粉末中掺入稀土金属氧化物，实验结果表明，稀土金属氧化物可以进一步改善防腐涂层的抗腐蚀性能和表面硬度。优选的稀土金属氧化物为氧化镧。稀土金属氧化物的含量优选为1wt％～10wt％，更优选为4wt％～6wt％。稀土金属氧化物粉末粒径优选为40目～200目，更优选为100目～200目。
按照本发明，还可以在所述共渗剂粉末中掺入复合金属氧化物Sr2Nb2O7，该复合金属氧化物已在中国专利CN100376505C所公开。实验结果表明，当共渗剂粉末中掺入稀土氧化物和复合金属氧化物后，稀土氧化物可以增加共渗剂的活性，因此得到防腐涂层的硬度、抗腐蚀性能均得到明显的改善。对于所述复合金属氧化物的掺入量，优选为1wt％～10wt％，更优选为4wt％～6wt％，所述复合金属氧化物的粉末粒径优选为40目～200目，更优选为100目～200目。
按照本发明，将工件包埋在共渗剂粉末之前，优选对工件进行预处理。所述预处理包括除油处理、除锈处理、喷砂处理中的一种或多种处理工序，优选依次按照除油处理、除锈处理、清洗处理、助渗处理、烘干处理的工件进行预处理。
按照本发明，所述除油处理优选为使用碱溶液和硅酸钠熔液的混合液对工件进行处理，所述碱溶液优选为NaOH或KOH溶液，碱溶液的质量浓度优选为1％～10％，更优选为2％～8％，硅酸钠溶液的质量浓度优选为1％～10％，更优选为2％～8％，最优选为3％～5％。对于混合液中碱溶液和硅酸钠溶液的质量比，优选为碱溶液∶硅酸钠溶液为3∶2～2∶3，更优选为1∶1。进行除油处理时，将带处理工件放入混合液中，优选加温至70℃～100℃，更优选为80℃～90℃，浸泡时间优选为20分钟～60分钟，更优选为30分钟～40分钟。
所述除锈处理具体为用稀酸溶液清洗除油处理后的工件除去铁锈和氧化皮，所述稀酸优选质量浓度为5％～20％，更优选为7％～15％的盐酸溶液。
除锈处理后，优选使用水将工件清洗干净。
清洗处理后，优选使用浓度为1％～10％，更优选为2％～5％的三乙醇胺和浓度为1％～5％，更优选为2％～4％亚硝酸钠溶液涂抹在工件表面进行助渗处理。
助渗处理后，将工件放在烘箱内，优选升温至100℃～200℃，更优选为150℃～200℃进行烘干处理。
烘干处理后，将工件与共渗剂放在真空共渗炉中，并将工件包埋在共渗剂中，共渗剂与工件的体积比优选为3∶1～1∶2，更优选为2∶1～1∶1。共渗处理温度优选为400～500℃，更优选为400～480℃，保温时间优选为1.5小时～10小时，更优选为4小时～10小时。真空共渗炉内的真空对优选小于1kPa，更优选小于0.5kpa。
共渗处理后，将工件从真空共渗炉内取出，然后清洗处理。
按照本发明，当在所述共渗剂粉末中添加稀土金属氧化物以及复合金属氧化物Sr2Nb2O7时，共渗处理温度优选为400～500℃，更优选为480～500℃，保温时间优选为1.5小时～10小时，更优选为4小时～10小时，真空共渗炉内的真空度小于0.5kpa，将工件从共渗炉中取出，清洗。
本发明提供一种在工件表面制备防腐涂层的方法。与现有技术相比，在本发明提供的共渗剂中包含一部分钛，实验结果表明，防腐涂层增加钛元素后，抗腐蚀性能和表面硬度均得到了明显的改善。
在优选的实施方式中，本发明在共渗剂粉末中进一步添加了稀土金属氧化物和复合金属氧化物，实验结果表明，防腐涂层的抗腐蚀性能和表明硬度得到了进一步的改善。
为了进一步了解本发明，下面结合实施例和比较例对本发明提供的铁路轨道工件表面制备防腐涂层的方法进行描述。
实施例1
配制共渗剂：取15wt％粒度为100目～200目的锌粉、20wt％的粒度为100目～300目的铝粉、10wt％粒度为100目～200目的钛粉、1.0wt％的氯化铵，余量粒度为40目～100目的石英砂均匀混合得到共渗剂粉末；
除油处理：取3wt％NaOH溶液和2wt％硅酸钠溶液按照1∶1的比例混合制取除油混合液，将机加工后的防落梁工件浸没在所述除油混合液中，将除油混合液升温至80℃浸泡30分钟，工件材质为Q235b；
除锈处理：用质量浓度为15％的盐酸溶液清洗除油处理后的工件以除去铁锈和氧化皮；
清洗处理：用自来水将防落梁工件清洗干净；
助渗处理：清洗处理后，使用质量浓度为3％的三乙醇胺溶液和质量浓度为5％的亚硝酸钠溶液涂抹在工件表面进行助渗处理；
烘干处理：将助渗处理后的工件放在烘箱内，升温至150℃保温1小时进行烘干处理。
共渗处理：取配制好的共渗剂和工件放入真空共渗炉中，并且将工件包埋在共渗剂中，共渗剂与工件的体积比为1∶1，将真空炉抽真空至真空度小于0.5kPa，将真空共渗炉升温至450℃，真空炉胆每分钟转3圈，保温8小时后，将工件取出，清洗干净，晒干。
取样进行测试，在工件表面形成厚度约90微米的合金渗层，合金渗层表面元素含量分析结果如下：20.43wt％的Fe、23.49wt％的Zn、37.11wt％的Al、18.65wt％的Ti、其它元素含量为0.32wt％。
性能测试结果如下：
工件表面硬度为531HV；
中性盐雾实验≥1200h(ISO 3768-1976)；
耐碱性：1.2g/L Ca(OH)2条件下，167h膜层不变色。
实施例2
取30wt％粒度为100目～200目的锌粉、10wt％的粒度为100目～300目的铝粉、20wt％粒度为100目～200目的钛粉、2wt％的氯化铵，余量粒度为40目～100目的石英砂均匀混合得到共渗剂粉末；
所用工件以及除油处理、除锈处理、清洗处理、助渗处理、烘干处理等工序与实施例1相同；
共渗处理：取配制好的共渗剂和工件放入真空共渗炉中，并且将工件包埋在共渗剂中，共渗剂与工件的体积比为1∶1，将真空炉抽真空至真空度小于0.5kPa，将真空共渗炉升温至400℃，真空炉胆每分钟转3圈，保温8小时后，将工件取出，清洗干净，晒干。
取样进行测试，在工件表面形成厚度约90微米的合金渗层，合金渗层表面元素含量分析结果如下：18.46wt％的Fe、41.33wt％的Zn、11.62wt％的Al、28.28wt％的Ti、其它元素含量为0.31wt％。
性能测试：
工件表面硬度为573HV；
中性盐雾实验≥1200h(ISO 3768-1976)；
耐碱性：1.2g/L Ca(OH)2条件下，184h膜层不变色。
实施例3
取20wt％粒度为100目～200目的锌粉、15wt％的粒度为100目～300目的铝粉、15wt％粒度为100目～200目的钛粉、5wt％粒度为100目～200目的氧化镧粉、2wt％的氯化铵，余量粒度为40目～100目的石英砂均匀混合得到共渗剂粉末；
所用工件以及除油处理、除锈处理、清洗处理、助渗处理、烘干处理等工序与实施例1相同；
共渗处理：取配制好的共渗剂和工件放入真空共渗炉中，并且将工件包埋在共渗剂中，共渗剂与工件的体积比为1∶1，将真空炉抽真空至真空度小于0.5kPa，将真空共渗炉升温至400℃，真空炉胆每分钟转3圈，保温8小时后；
取样进行测试，在工件表面形成厚度约90微米的合金渗层，合金渗层表面元素含量分析结果如下：16.83wt％的Fe、31.52wt％的Zn、28.75wt％的Al、21.29wt％的Ti、1.24wt％的La、其它元素含量为0.37wt％。
性能测试：
工件表面硬度为592HV；
中性盐雾实验≥1400h(ISO 3768-1976)；
耐碱性：1.2g/L Ca(OH)2条件下，210h膜层不变色。
与实施例1和实施例2相比，本实施例在共渗剂粉末中添加了一部分氧化镧，实验结果表明，防腐涂层中添加镧后，涂层表面硬度和抗腐蚀性能均得到了改善。
实施例4
取20wt％粒度为100目～200目的锌粉、15wt％的粒度为100目～300目的铝粉、15wt％粒度为100目～200目的钛粉、5wt％粒度为100目～200目的氧化镧粉、10wt％粒度为100目～200目的Sr2Nb2O7、2wt％的氯化铵，余量粒度为40目～100目的石英砂均匀混合得到共渗剂粉末；
所用工件以及除油处理、除锈处理、清洗处理、助渗处理、烘干处理等工序与实施例1相同；
共渗处理：取配制好的共渗剂和工件放入真空共渗炉中，并且将工件包埋在共渗剂中，共渗剂与工件的体积比为1∶1，将真空炉抽真空至真空度小于0.5kPa，将真空共渗炉升温至500℃，真空炉胆每分钟转3圈，保温8小时后；将工件取出，清洗干净，晒干。
取样进行测试，在工件表面形成厚度约90微米的合金渗层，合金渗层表面元素含量分析结果如下：17.25wt％的Fe、28.61wt％的Zn、22.56wt％的Al、28.70wt％的Ti、1.30wt％的La、0.59wt％的Sr、0.65wt％的Nb、其它元素含量为0.34wt％。
性能测试：
工件表面硬度为634HV；
中性盐雾实验≥1500h(ISO 3768-1976)；
耐碱性：1.2g/L Ca(OH)2条件下，243h膜层不变色。
与实施例3相比，本实施例在共渗剂粉末中添加了一部分复合金属氧化物Sr2Nb2O7，实验结果表明，防腐涂层中添加Sr2Nb2O7后，涂层表面硬度和抗腐蚀性能均得到了进一步的改善。
比较例
取40wt％粒度为100目～200目的锌粉、30wt％的粒度为100目～300目的铝粉、氯化铵，余量粒度为40目～100目的石英砂均匀混合得到共渗剂粉末；
所用工件以及除油处理、除锈处理、清洗处理、助渗处理、烘干处理等工序与实施例1相同；
共渗处理：取配制好的共渗剂和工件放入真空共渗炉中，并且将工件包埋在共渗剂中，共渗剂与工件的体积比为1∶1，将真空炉抽真空至真空度小于0.5kPa，将真空共渗炉升温至520℃，真空炉胆每分钟转3圈，保温8小时后；将工件取出，清洗干净，晒干。
取样进行测试，在工件表面形成厚度约90微米的合金渗层，合金渗层表面元素含量分析结果如下：17.13wt％的Fe、48.56wt％的Zn、33.97wt％的Al、其它元素含量为0.34wt％。
性能测试：
工件表面硬度为410HV；
中性盐雾实验≥800h(ISO 3768-1976)
耐碱性：1.2g/L Ca(OH)2条件下，120h后膜层开始变色。
与实施例1至4相比，只含有铝和锌的共渗剂粉末，抗腐蚀性能和表面硬度等性能均比较低。
以上对本发明提供的在工件表面制备防腐涂层的方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1、一种在工件表面制备防腐涂层的方法，包括：
提供包括以下重量百分比的共渗剂粉末：15wt％～30wt％的锌粉、10wt％～20wt％的铝粉、10％～20％的钛粉、0.1％～2.0％的活化剂粉、余量的填充剂；
将工件包埋在所述共渗剂粉末中加热至400℃～500℃，保温3小时～10小时进行共渗处理。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共渗剂粉末包括：
20wt％～25wt％的锌粉。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共渗剂粉末还包括：
12wt％～18wt％的钛粉。
4、根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述填充剂为石英砂。
5、根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述活化剂选自氯化铵、氯化锌中的一种或多种。
6、根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，在将所述工件包埋在共渗剂粉末之前，还包括将所述工件进行预处理的步骤。
7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共渗剂粉末还包括：
2wt％～10wt％的稀土氧化物粉。
8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物粉为氧化钇粉、氧化镧粉、氧化铈粉、氧化镨粉、或氧化钕粉中一种或多种。
9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述共渗剂粉末还包括：
1wt％～10wt％的Sr2Nb2O7粉末。
10、根据权利要求7至9任一项所述的方法，其特征在于，还包括：
继续将所述工件和共渗剂粉末升温至400℃～500℃、保温3小时～10小时进行共渗处理。
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