CN104195489A - 热浸镀Al-Ni合金渗层及其热浸镀方法 - Google Patents

热浸镀Al-Ni合金渗层及其热浸镀方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于热浸镀铝技术领域，特指热浸镀Al-Ni合金渗层及其热浸镀方法。所述的热浸镀Al-Ni合金渗层，其特征在于：Ni的含量控制在1-5wt%，其余为Al。本发明通过向合金中加入耐蚀性成分Ni，并将热浸镀后的样品进行真空扩散处理，在生产成本不会大幅增加的情况下，通过Al快速向内扩散，在合金渗层表面形成富Ni层，提升渗层表面抗腐蚀性，从而增加热浸镀铝合金的耐腐蚀性能，延长渗铝钢的使用寿命，使新型渗层应用于一些对耐蚀性要求较高的零部件的热浸镀铝工艺中。

Description

热浸镀Al-Ni合金渗层及其热浸镀方法
技术领域
本发明专利属于热浸镀铝技术领域，特指热浸镀Al-Ni合金渗层及其热浸镀方法。
背景技术
钢铁表面的热浸镀铝技术是本世纪初发展起来的一项表面处理工艺，正逐步应用与石油、化工、电力、冶金、机械、能源和交通运输等领域，前景十分广阔。
由于钢铁制品长期暴露在外部环境中，极易发生腐蚀，造成钢铁产品毁坏失效，给人类生产生活带来严重影响，甚至危及到人民的生命；腐蚀是自然界中一种很普遍的现象，无法完全避免；据统计，全球每年因为腐蚀问题而报废的金属产品大约相当于全球金属产量的1/3，为了延长寿命，减少经济损失，金属的防护工作就显得十分重要，耐蚀性优良且质优价廉的热浸镀铝钢板开始普遍受到青睐。
热浸镀铝渗层具有良好的耐蚀性、耐热性和抗高温氧化等特性，尤其是在苛刻腐蚀条件下具有良好的耐蚀性能，且具有钢的强度和铝的外观，在很多环境下可代替昂贵的不锈钢和耐热钢，降低企业的生产成本，减少机器的维修次数，提高设备及产品的使用寿命。
由于受到现有热浸镀设备、工艺技术及原基材的限制，我国在热浸镀铝行业上的水平还有待提高，更加经济环保且性能良好的新型渗层产品是目前市场所需求的，热浸镀铝技术还有许多空间值得我们去进行研究。
发明内容
本发明的目的在于开发一种新型合金渗层，通过向合金中加入耐蚀性成分Ni，并将热浸镀后的样品进行真空扩散处理，在生产成本不会大幅增加的情况下，通过Al快速向内扩散，在合金渗层表面形成富Ni层，提升渗层表面抗腐蚀性，从而增加热浸镀铝合金的耐腐蚀性能，延长渗铝钢的使用寿命，使新型渗层应用于一些对耐蚀性要求较高的零部件的热浸镀铝工艺中。
热浸镀Al-Ni合金渗层，其特征在于：Ni的含量控制在1-5wt%，其余为Al；渗层组织由表及里分别为Fe2Al5层、FeAl2层、FeAl层及                                               -Fe层，随着合金成分中添加Ni含量的增多，逐渐在合金渗层表面形成了致密的(Fe,Ni)Al连续固溶体组织层。
所述的热浸镀Al-Ni合金渗层的热浸镀方法，包括Al-Ni合金熔炼的步骤、钢材基体预处理的步骤、钢材热浸镀的步骤和热浸镀样品的真空扩散处理的步骤。
所述的Al-Ni合金熔炼的步骤，其特征在于：Ni元素利用Al-10wt%Ni合金加入，将中频感应熔炼炉设置在700°C，先熔炼Al-10wt%Ni合金，待熔化后再加入Al，全部金属溶化后搅拌均匀，最后将温度升高到热浸镀温度。
所述的钢材基体预处理步骤，其特征在于：钢片预磨除锈；15wt%的Na(OH)2溶液碱助镀洗除油，（70°C-90°C，3-5min）；清水冲洗；15wt%的盐酸溶液酸洗3min除锈；清水冲洗；助镀；干燥。
所述助镀使用的助镀剂的成分为：K2ZrF6：100g/L、KCl：100g/L、NaF：1g/L，使用上述成分所配置的水溶液对钢材基体进行助镀处理；助镀温度：90°C，助镀时间：2min。
所述热浸镀使用的工艺参数，其特征在于：浸镀温度为710-730°C，浸镀时间为120-180s。
所述热浸镀样品的真空扩散处理的步骤，其特征在于：样品放入刚玉坩埚→封装在真空度为0.001Pa的石英管中→放入管式电阻炉中进行扩散，扩散工艺参数为：800-900°C保温1-5h。
本发明由于热浸镀铝后，渗铝层由表面纯铝层和合金层组成，由于表面纯铝层硬度低，使用过程中易损伤，而合金层相的脆性大，与基体的结合强度低，通过将热浸镀后的样品进行真空扩散处理，在生产成本不会大幅增加的情况下，增加渗层与基体的结合强度，同时提高热浸镀铝合金的耐腐蚀性能和渗层表面质量，延长渗铝钢的使用寿命。
本发明的原理来源于不同金属元素的扩散速率不同，通过向熔池中加入耐蚀性元素Ni，其扩散速率远低于Al；在真空扩散处理过程中，Ni元素能够富集在合金渗层的表面，与Fe、Al形成连续致密的富Ni化合物层，使得渗层表面的耐腐蚀性能显著提高。
本发明的优点在与：向合金中加入少量的耐蚀性金属元素Ni，由于Ni具有较好的耐腐蚀特性，通过真空扩散处理后，能够在渗层表面形成致密的(Fe,Ni)Al连续固溶体组织层，可以大大提高渗层的耐腐蚀性，能够为用户生产出满足性能要求的高品质新型铝合金渗层产品。
附图说明
表1为不同含Ni量合金的设计名义成分。
图1为添加不同Ni含量的合金镀层横截面扫描电子显微镜BSE照片；从图1中可以看出，整个镀层分为内外两层：深灰色外层和浅灰色内层，内层呈舌状嵌入基体，外层中含有一定量的针状析出物；通过与扫描电子显微镜配套的能谱仪分析，外层为纯铝层，针状析出物为铁铝镍多元化合物，内层为Fe2Al5相；通过比较可以发现，随着熔池中Ni含量的增加，镀层中的针状析出物明显增多。
（1）合金一；（2）合金二；（3）合金三；（4）合金四。
图2为不同Ni含量的合金镀层经过真空扩散处理后横截面扫描电子显微镜BSE照片；结合能谱仪分析结果可知，渗层组织由表及里分别为Fe2Al5层、FeAl2层、FeAl层及 -Fe层，随着合金成分中添加Ni含量的增多，逐渐在合金渗层表面形成了致密的(Fe,Ni)Al连续固溶体组织层。
（1）合金一；（2）合金二；（3）合金三；（4）合金四。
图3为不同Ni含量合金渗层的高温氧化增重曲线；高温氧化实验在箱式电阻炉中进行，高温氧化工艺参数为800°C，100h，高温氧化实验结束后使用分析天平进行称量；根据实验结果，发现Ni能提高铝合金渗层的耐高温氧化腐蚀能力，当加入的Ni含量达到5wt%时，相比于不含Ni的合金渗层，抗高温氧化腐蚀性能提高一倍以上。
具体实施方式
本发明的钢材热浸镀铝合金由铝Al、镍Ni组成，是一种高耐蚀性的热浸镀合金；其中，按重量比计，含有的Ni为1-5wt%，其余为Al。
为了符合和适应一般工业生产中的要求，本实验使用一般结构钢45钢作为金属基体材料，使用线切割机加工成8mm  8mm 3mm的规格。
第一步：将Al-Ni合金按照Al-(1-5wt%)Ni配比配置，加入中频感应熔炼炉，升温至700°C熔炼，Ni元素使用Al-10wt%Ni中间合金的方式加入，首先熔炼Al-Ni合金，待融化后再加入Al锭；待到熔池内合金充分熔融后搅拌均匀，再将实验炉的温度升高到710°C -730°C。
第二步：在进行热浸镀前，金属基体要预先进行预处理工艺：钢片预磨除锈；15wt%的Na(OH)2溶液碱助镀洗除油，（70°C-90°C，3-5min）；清水冲洗；15wt%的盐酸溶液酸洗3min除锈；清水冲洗；助镀，（90°C，2min）；干燥；本实验中使用助镀剂为反复实验得出，成分为：K2ZrF6：100g/L、KCl：100g/L、NaF：1g/L。
第三步：在热浸镀之前，首先要保证熔池温度稳定，然后先将熔池表面的氧化膜扒开，露出清洁的熔池表面，再将钢片垂直于液面放入熔池中；浸镀120-180s后，将钢片以匀速从熔池中取出，然后放置于空气中冷却至室温，在取出钢片时也要保证熔池表面的清洁，否则就会使得镀层表面质量下降。
第四步：热浸镀样品的真空扩散处理过程：将样品放入刚玉坩埚中，并封装在真空度为0.001Pa的石英管中；随后放入管式电阻炉中进行扩散处理，扩散工艺参数：800-900°C保温1-5h；取出后放置于空气中冷却至室温。
表1

Claims (7)

1.一种热浸镀Al-Ni合金渗层，其特征在于：Ni的含量控制在1-5wt%，其余为Al；渗层组织由表及里分别为Fe2Al5层、FeAl2层、FeAl层及                                                 -Fe层，随着合金成分中添加Ni含量的增多，逐渐在合金渗层表面形成了致密的(Fe,Ni)Al连续固溶体组织层。
2.如权利要求1所述的一种热浸镀Al-Ni合金渗层的热浸镀方法，包括Al-Ni合金熔炼的步骤、钢材基体预处理的步骤、钢材热浸镀的步骤和热浸镀样品的真空扩散处理的步骤，其特征在于：在合金Ni含量控制在1-5wt%的Al-Ni熔池中热浸镀，然后对热浸镀样品进行真空扩散处理，形成了含表面富Ni层的Al-Ni合金渗层。
3.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Ni合金渗层的热浸镀方法，其特征在于，所述Al-Ni合金熔炼的步骤为：Ni元素利用Al-10wt%Ni合金加入，将中频感应熔炼炉温设置在700°C，先熔炼Al-10wt%Ni合金，待熔化后再加入Al，全部金属溶化后搅拌均匀最后将温度升高到热浸镀温度。
4.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Ni合金渗层的热浸镀方法，其特征在于，所述的钢材基体预处理步骤为：钢片预磨除锈；15wt%的Na(OH)2溶液碱助镀洗除油，70°C -90°C，3-5min；清水冲洗；15wt%的盐酸溶液酸洗3min除锈；清水冲洗；助镀；干燥。
5.如权利要求4所述的一种热浸镀Al-Ni合金渗层的热浸镀方法，其特征在于，所述助镀使用的助镀剂的成分为：K2ZrF6：100g/L、KCl：100g/L、NaF：1g/L，使用上述成分所配置的水溶液对钢材基体进行助镀处理；助镀温度：90°C，助镀时间：2min。
6.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Ni合金渗层的热浸镀方法，其特征在于，所述热浸镀使用的工艺参数为：浸镀温度为710-730°C，浸镀时间为120-180s。
7.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Ni合金渗层的热浸镀方法，其特征在于，热浸镀样品的真空扩散处理的步骤为：将样品放入刚玉坩埚中并封装在真空度为0.001Pa的石英管中；放入管式电阻炉中进行扩散，扩散工艺参数为：800-900°C保温1-5h。
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