CN101914792A - 一种Al-Cr合金涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢铁表面Al-Cr合金涂层及制备方法。涂层由如下成份组成：59.0～87.5at.％Al，12.5～41.0at.％Cr。制备方法如下：第一步：在钢铁表面进行镀铬；第二步：采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，用于镀铝的离子液体是AlCl3与有机盐构成的体系，所述的有机盐为卤化烷基吡啶、卤化烷基咪唑和氯化烷芳基铵盐中的一种；第三步：热处理：热处理的工艺参数如下：温度540℃～740℃，时间10min～16h。本发明的Al-Cr合金涂层及其制备方法具有成分精确可控、可低温制备且防止基体力学性能的降低、同时适用于各种形状的零部件的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料的表面工程技术，具体涉及一种在钢铁表面的Al-Cr合金涂层及其制备方法。
背景技术
Al、Cr元素可以在氧化性气氛中形成热力学稳定的Al2O3膜，能形成致密的氧化膜，阻止氧化的进一步发生，同时Al-Cr合金硬度高，因此Al-Cr合金具有高的抗高温氧化、抗水蒸气腐蚀和含硫介质腐蚀，以及高的抗高温冲蚀性能[1，2]。因为这些性能，Al-Cr合金涂层在化工、石油、能源行业有广阔的应用背景。
钢铁表面制备Al-Cr涂层，可以采用先高温渗Cr后渗Al的方法，见参考文献[3]，或将Al和Cr粉制成浆料并喷涂到表面，然后真空下扩散见参考文献[4]，这些方法需要1000℃以上高温，不但能耗大，更重要的是影响基体的力学性能。PVD法虽可以低温制备出Al-Cr涂层见参考文献[5]，但不适合大件或形状复杂的零部件。最近有人提出用电镀铬后粉末渗铝的方法制备了Al-Cr/Cr涂层，但该方法不易准确控制涂层中的Al、Cr含量见参考文献[6]。
另一方面，利用离子液体电沉积的方法，也可以在钢铁表面获得Al-Cr合金镀层见参考文献[7]。离子液体是一种全新的液体，它具有环保、电位窗宽、熔点低、可室温操作等特点，能实现Al、Al合金、Si等水溶液难以电沉积金属的镀覆，且副反应少，所得镀层的纯度、致密性高，适合各种形状和大小的部件，因此在电化学领域有巨大的应用前景。但离子液体Al-Cr合金电沉积时，Cr需通过Cr2+还原形成。而Cr2+在离子液体中很容易向Cr3+转变，形成不溶的CrCl3，因此镀液稳定性差，镀层中的Cr含量控制困难，不利于工程化应用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种在钢铁表面制备Al-Cr合金涂层的新方法，该方法是首先用水溶液在钢铁表面镀Cr，再用离子液体在Cr镀层上镀Al，然后通过一定的热处理实现Al-Cr合金化，由此得到Al-Cr合金涂层。所述的Al-Cr合金，其成分范围是：59.0～87.5at.％Al，12.5～41.0at.％Cr，属于Al8Cr5、Al11Cr4、Al4Cr、Al7Cr金属间化合物或它们的复合层。该涂层可在钢铁表面获得致密的氧化膜，使钢铁具有优异的耐腐蚀、抗高温氧化能力，并兼有高的硬度。
在钢铁表面制备上述Al-Cr合金涂层的方法，包括如下步骤：
第一步：用常规方法在钢铁表面进行镀铬，铬镀层厚度为1-6.5μm；铬镀层太薄，厚度精确控制困难，太厚时所需铝镀层过厚，且所需的热处理时间过长。
第二步：采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，根据所需的Al-Cr合金成分，铝镀层厚度为4-15μm。用于镀铝的离子液体是AlCl3与有机盐构成的体系，所述的有机盐为卤化烷基吡啶、卤化烷基咪唑和氯化烷芳基铵盐中的一种；且AlCl3与有机盐的摩尔比为大于1.0且小于等于2.0；离子液体镀铝的工艺参数如下：阳极：铝丝，温度为25℃-60℃，电流密度为5-30mA/cm2；镀覆时间根据镀层厚度及电流密度不同，为20min-75min。
第三步：热处理。热处理的工艺参数如下：温度540℃～740℃，时间10min～16h。热处理可以在空气或氮气保护气氛中进行。
本发明的钢铁表面Al-Cr合金涂层制备方法中第二步离子液体体系中的有机盐卤化烷基吡啶为氯化正丁基吡啶，氯化正丁基吡啶简称BPC，下文统一采用简称。
本发明的钢铁表面Al-Cr合金涂层制备方法中第二步离子液体体系中的有机盐卤化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑，氯化1-甲基-3-乙基咪唑简称EMIC，下文统一采用简称。
本发明的钢铁表面Al-Cr合金涂层制备方法中第二步离子液体体系中的有机盐氯化烷芳基铵盐为氯化三乙基苯胺，氯化三乙基苯胺简称TMPAC，下文统一采用简称。
本发明具有的优点：
本发明具有如下优点：
1、利用本发明所述制备方法可得到成分精确可控的Al-Cr合金涂层；
2、本发明可实现Al-Cr合金涂层的低温制备，可防止基体力学性能的下降；
3、该方法适用于各种形状的零部件，同时适合工业化的大规模生产。
本发明适用于1Cr17、1Cr18Ni9Ti、316L等不锈钢，也适用于Q235等普通碳钢。
附图说明
图1是实施例1Cr、Al复合镀层形貌图；
图2是实施例1Cr、Al复合镀层经热处理后表面层形貌图；
图3是实施例1Cr、Al复合镀层热处理后涂层的XRD谱图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一：在1Cr17不锈钢表面制备Al-Cr合金涂层的具体步骤如下：
1、对1Cr17不锈钢用常规的方法镀铬，铬镀层厚度6.5μm；
2、采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，镀铝在氩气保护手套箱中的AlCl3-EMIC(摩尔比为1.2∶1)溶液中进行，镀覆温度60℃，电流密度30mA/cm2，时间25min，铝镀层厚度约为15μm。所得Cr、Al复合镀层的形貌如图1所示；
3、镀后试样在氮保护气氛炉中进行热处理，温度740℃，保温16h。得到的合金涂层形貌如图2所示，厚约20μm，成分为61.7at.％Al-38.3at.％Cr，XRD检测结果如图3所示，表明是Al8Cr5。
实施例二：在1Cr17不锈钢表面制备Al-Cr合金涂层的具体步骤如下：
1、对1Cr17不锈钢用常规的方法镀铬，铬镀层厚度2.5μm；
2、采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，镀铝在氩气保护手套箱中的AlCl3-EMIC(摩尔比为1.5∶1)溶液中进行，镀覆温度25℃，电流密度5mA/cm2，时间60min，铝镀层厚度约为6μm。
3、镀后试样在氮保护气氛炉中进行热处理，温度690℃，保温30min。得到8μm厚的合金涂层，成分为59.0at.％Al-41.0at.％Cr，XRD检测结果为Al8Cr5合金涂层。
实施例三：在Q235低碳钢表面制备Al-Cr合金涂层的具体步骤如下：
1、对Q235低碳钢用常规的方法镀铬，铬镀层厚度1μm；
2、采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，镀铝在氩气保护手套箱中的AlCl3-BPC(摩尔比为2∶1)溶液中进行，镀覆温度25℃，电流密度10mA/cm2，时间20min，铝镀层厚度约为4μm；
3、镀后试样在空气炉中进行热处理，温度540℃，保温6h，XRD检测结果为Al11Cr4合金。
实施例四：在316L不锈钢钢表面制备Al-Cr合金涂层的具体步骤如下：
1、对316L不锈钢用常规的方法镀铬，铬镀层厚度1.6μm；
2、采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，镀铝在氩气保护手套箱中的AlCl3-EMIC(摩尔比为2∶1)溶液中进行，镀覆温度25℃，电流密度10mA/cm2，时间75min，铝镀层厚度约为15μm。
3、镀后试样在空气炉中进行热处理，温度640℃，保温30min。得到10μm厚的涂层，成分为79.8at.％Al-20.2at.％Cr，XRD检测结果为Al4Cr合金涂层。
实施例五：在1Cr17不锈钢表面制备Al-Cr合金涂层的具体步骤如下：
1、对1Cr17不锈钢用常规的方法镀铬，铬镀层厚度1.2μm；
2、采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，镀铝在氩气保护手套箱中的AlCl3-TMPAC(摩尔比为2∶1)溶液中进行，镀覆温度45℃，电流密度20mA/cm2，时间38min，铝镀层厚度约为15μm；
3、镀后试样在空气炉中进行热处理，温度540℃，保温12h。得到15μm左右厚的涂层，成分为87.5at.％Al-12.5at.％Cr，XRD检测结果为Al7Cr合金涂层。
实施例六：在1Cr17不锈钢表面制备Al-Cr合金涂层的具体步骤如下：
1、对1Cr17不锈钢用常规的方法镀铬，铬镀层厚度1.6μm；
2、采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，镀铝在氩气保护手套箱中的AlCl3-EMIC(摩尔比为2∶1)溶液中进行，镀覆温度25℃，电流密度10mA/cm2，时间75min，铝镀层厚度约为15μm。
3、镀后试样在空气炉中进行热处理，温度600℃，保温10min。得到Al11Cr4/Al4Cr/Al7Cr三层复合合金层，厚度分别是2μm/6μm/4μm。
参考文献
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Claims (5)
1.一种钢铁表面Al-Cr合金涂层，其特征在于，由如下含量的各成份组成：
59at.％～87.5at.％ Al
12.5at.％～41at.％ Cr。
2.制备权利要求1所述的钢铁表面Al-Cr合金涂层的方法，其特征在于包括如下步骤：
第一步：采用常规方法在钢铁表面镀铬，铬镀层厚度为1-6.5μm；
第二步：采用离子液体镀铝法在铬镀层上镀铝，用于镀铝的离子液体是AlCl3与有机盐构成的体系，所述的有机盐为卤化烷基吡啶、卤化烷基咪唑和氯化烷芳基铵盐中的一种；且AlCl3与有机盐的摩尔比为大于1.0且小于等于2.0；室温熔盐镀铝的工艺参数如下：阳极：铝丝，温度为25℃-60℃，电流密度为5-30mA/cm2，时间20min-75min；铝镀层的厚度为4-15μm；
第三步：热处理，热处理的工艺参数如下：温度540℃～740℃，时间10min～16h。
3.如权利要求2所述的钢铁表面Al-Cr合金涂层制备方法，其特征在于：第二步室温熔盐体系中的有机盐卤化烷基吡啶为氯化正丁基吡啶。
4.如权利要求2所述的钢铁表面Al-Cr合金涂层制备方法，其特征在于：第二步室温熔盐体系中的有机盐卤化烷基咪唑为氯化1-甲基-3-乙基咪唑。
5.如权利要求2所述的钢铁表面Al-Cr合金涂层制备方法，其特征在于：第二步室温熔盐体系中的有机盐氯化烷芳基铵盐为氯化三乙基苯胺。
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