CN104233150B - 一种热浸镀Al‑Cr‑Mo合金渗层及其热浸镀方法 - Google Patents

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本发明专利属于热浸镀铝技术领域，特指一种热浸镀Al‑Cr‑Mo合金渗层及其热浸镀方法。所述的热浸镀Al‑Cr‑Mo合金渗层，其特征在于：Cr的含量范围在0.5‑2wt%，Mo的含量控制在0.3wt%，其余为Al。本发明通过向合金中加入耐H2S腐蚀成分Cr和Mo，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，使得Cr、Mo在渗层表面富集，提高热浸镀铝合金的耐硫化腐蚀性能，延长热浸镀铝钢在硫化环境中的使用寿命，使新型渗层应用于一些对耐H2S腐蚀要求较高的零部件的热浸镀铝工艺中。

Description

一种热浸镀Al-Cr-Mo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，特指一种热浸镀Al-Cr-Mo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H2S腐蚀成分Cr和Mo，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，使得Cr、Mo在渗层表面富集，提高热浸镀铝合金的耐H2S腐蚀性能，延长热浸镀铝钢在硫化环境中的使用寿命，使新型渗层应用于一些对耐H2S腐蚀性要求较高的零部件的热浸镀铝工艺中。
热浸镀Al-Cr-Mo合金渗层，其特征在于：Cr的含量范围在0.5-2wt%，Mo的含量控制在0.3wt%，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Cr含量的增多，Cr、Mo在渗层表面富集。
所述的热浸镀Al-Cr-Mo合金渗层的热浸镀方法，包括Al-Cr-Mo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Al-Cr-Mo合金熔炼的步骤，其特征在于：Cr元素利用Al-5wt%Cr合金加入，将中频感应熔炼炉温设置在800°C，先熔炼Al-5wt%Cr合金，待熔化后再加入Al、Mo，全部金属溶化后搅拌均匀，最后将温度降低到热浸镀温度。
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，渗铝层有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H2S腐蚀性元素Cr、Mo，在真空扩散处理过程中，其扩散速率远低于Al，使得Cr、Mo元素渗层表面富集；由于Cr、Mo元素在硫化环境比Fe、Al等金属元素优先硫化，从而在合金表面形成致密的含Cr、Mo的硫化物，使得含Cr、Mo元素的铝合金渗层的抗硫化腐蚀能力大大提高。
本发明的优点在与：向合金中加入少量的耐H2S腐蚀性金属元素Cr、Mo，由于Cr、Mo具有较好的耐H2S腐蚀特性，通过真空扩散处理，在渗层表面形成富集，可以大大提高渗层的耐H2S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Cr、Mo量合金的设计名义成分。
图1为添加不同Cr、Mo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和层片状析出物；通过与扫描电子显微镜配套的能谱仪分析，外层为纯铝层，针状析出物为铁铝化合物，层片状析出物为铁铝铬多元化合物，其含有一定量的钼，内层为Fe2Al5相；通过比较可以发现，随着熔池中Cr含量的增加，镀层中的层片状析出物明显增多。
（1）合金一；（2）合金二；（3）合金三；（4）合金四。
图2为不同Cr、Mo含量的合金镀层经过真空扩散处理后的合金渗层横截面扫描电子显微镜BSE照片；结合能谱分析结果可知，渗层由表及里分别为Fe2Al5层、FeAl2层、FeAl层及-Fe层，随着合金成分中添加Cr含量的增多，渗层表面富集的Cr、Mo元素增多，并与Fe、Al形成多元化合物。
（1）合金一；（2）合金二；（3）合金三；（4）合金四。
图3为不同Cr、Mo含量的合金扫描电子显微镜BSE照片；根据实验要求，配得所需成分的Al-Cr-Mo合金进行熔炼，所得的金相组织如图；从图3（1）中可以发现纯Al的显微组织主要是深色的-Al相组织；图3（2）中加入了0.5%的Cr后，合金组织中开始出现枝晶状和颗粒状的Al-Cr二元共晶组织；随着Cr含量的进一步增加，如图3（3），合金中的枝晶状二元共晶组织基本消失，颗粒状的共晶组织也逐渐减少，少量的层片状的Al-Cr共晶组织开始出现；在图3（4）中，当Cr含量达到了2%时，合金中几乎全为-Al和层片状的Al-Cr二元共晶组织。
（1）合金一；（2）合金二；（3）合金三；（4）合金四。
图4为华中科技大学电化学工作站配套使用的correst电化学测试软件界面；
图5为不同Cr、Mo含量合金渗层电化学腐蚀速率；根据使用华中科技大学电化学腐蚀工作站测得的腐蚀数据分析可知，发现Cr、Mo元素的加入能够提高热浸镀铝合金渗层的耐腐蚀能力，当Cr含量达到2wt%时，相比于不含Cr、Mo的纯铝渗层，电化学腐蚀性能提高了2倍以上。
具体实施方式
本发明的钢材热浸镀铝合金由铝Al、铬Cr和钼Mo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Cr为0-2wt%，Mo为0-0.3wt%，其余为Al。
表1
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-Cr-Mo合金按照Al-(0.5-2wt%)Cr-0.3wt%Mo配比配置，加入中频感应熔炼炉，升温至800°C熔炼，Cr元素使用Al-5wt%Cr中间合金的方式加入，首先熔炼Al-Cr合金，待融化后再加入Al锭及Mo金属单质；待到熔池内合金充分熔融后搅拌均匀，再将实验炉的温度降低到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熔液碱助镀洗除油（70°C-90°C，3-5min）→清水冲洗→15wt%的盐酸熔液酸洗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，否则就会使得渗层表面质量下降。
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。

Claims (7)

1.一种热浸镀Al-Cr-Mo合金渗层，其特征在于：Cr的含量范围在0.5-2wt％，Mo的含量控制在0.3wt％，其余为Al；渗层组织由表及里分别为Fe2Al5层、FeAl2层、FeAl层及α-Fe层，随着合金成分中添加Cr含量的增多，Cr、Mo在渗层表面富集，并与Fe、Al形成多元化合物；提高热浸镀铝合金的耐H2S腐蚀性能，延长热浸镀铝钢在硫化环境中的使用寿命。
2.如权利要求1所述的一种热浸镀Al-Cr-Mo合金渗层的热浸镀方法，包括Al-Cr-Mo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步骤，其特征在于：在合金Cr含量控制在0.5-2wt％和Mo含量为0.3wt％的Al-Cr-Mo熔池中热浸镀，利用不同金属元素的扩散速率不同，对热浸镀样品进行真空扩散处理，即Cr、Mo在真空扩散处理过程中，其扩散速率远低于Al，使得Cr、Mo元素在渗层表面富集。
3.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Cr-Mo合金渗层的热浸镀方法，其特征在于，所述Al-Cr-Mo合金熔炼的步骤为：Cr元素利用Al-5wt％Ni合金加入，将中频感应熔炼炉温设置在800℃，先熔炼Al-5wt％Cr合金，待熔化后再加入Al、Mo，全部金属溶化后搅拌均匀，最后将温度降低到热浸镀温度。
4.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Cr-Mo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℃-90℃，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-Cr-Mo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℃，助镀时间：2min。
6.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Cr-Mo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℃，浸镀时间为120-180s。
7.如权利要求2所述的一种热浸镀Al-Cr-Mo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℃保温1-5h。
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