CN104745997B

CN104745997B - 一种热镀锌用工装件及制备方法

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Publication number: CN104745997B
Application number: CN201510064212.0A
Authority: CN
Inventors: 陈冬; 刘汇玲; 张欣; 李秀峰; 金向雷; 陈洁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2017-09-22
Anticipated expiration: 2035-02-09
Also published as: CN104745997A

Abstract

一种热镀锌用工装件及制备方法，所述工装件以碳钢为基体，在碳钢基体表面覆盖合金耐腐蚀层，合金耐腐蚀层厚度为70‑120微米，合金耐腐蚀层含硅、钼，硅、钼以Fe₃Si+Fe₃Mo+MoSi₂合金形式存在，合金耐腐蚀层含硅量为5‑15%、含钼量为2‑10%。上述热镀锌用工装件的制备方法包括工装件处理、配制渗剂、装罐、热处理等步骤。本发明通过硅钼共渗的热处理工艺对碳钢基体表面进行改性处理，使基材表面形成具有高化学稳定性、高硬度的合金耐腐蚀层。该合金耐腐蚀层不仅能够改善钢材在锌液腐蚀介质中的耐蚀性而且还能提高钢材的抗高温氧化性、提高钢材表面的耐磨性，从而大幅度提高热镀锌用工装件的使用寿命。

Description

一种热镀锌用工装件及制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属制件及制备方法，特别是表层覆盖合金耐腐蚀层的热镀锌用工装件及制备方法。

背景技术

热镀锌是一种应用十分广泛的钢铁防腐蚀技术，广泛用于板带、钢管、钢丝、型钢等钢铁制品。在批量产品件热镀锌过程中会使用大量的铁基挂具等工艺工装件。液态锌在热镀锌工艺温度( 450-650℃ ) 下对大部分金属都有强烈的腐蚀性，随着锌液温度越高对铁的腐蚀速度越大，锌的温度高于490℃时，铁在锌中的腐蚀速度直线上升，因此，锌液会对热镀锌生产用的挂具、内加热套管、测温热电偶、热电偶保护套管以及连续镀锌中的沉没辊、传送链、支承辊等工装件产生强烈的腐蚀，致使这些工装件服役寿命很短，有些只能使用十几天就会因强烈腐蚀而报废。同时，在铁被腐蚀过程中因形成锌铁合金而消耗的锌是铁量的25倍。有鉴于此，在这种锌液条件下服役的工装件，既要求具有持久的耐高温强度、高的耐磨性、良好的加工工艺性，又要具有足够的耐锌液腐蚀性，但是目前尚缺乏能满足这种综合性能要求的材料。研制出一种能在锌液中长期工作、价格低廉、且适合于工业生产的热镀锌用工装件是目前热镀锌企业亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有高耐熔融锌液腐蚀性的热镀锌用工装件。

本发明的另一目的是提供所述热镀锌用工装件的制备方法。

本发明所称问题是通过以下技术方案解决的：

一种热镀锌用工装件，所述工装件以碳钢为基体，在碳钢基体表面覆盖合金耐腐蚀层，合金耐腐蚀层厚度为70-120微米，合金耐腐蚀层含硅、钼，硅、钼以Fe₃Si+Fe₃Mo+MoSi₂形式存在，合金耐腐蚀层含硅量为5-15%、含钼量为2-10%。

上述热镀锌用工装件，所述工装件的碳钢基体为低碳钢、中碳钢或低合金钢。

一种热镀锌用工装件的制备方法，按照下述步骤进行：

a.工装件处理：将碳钢基体的工装件表面除油、除锈后表面冷风吹干；

b. 配制渗剂；按照如下质量份原料配制渗剂：硅铁粉20-30，硅粉 10-20，钼粉5-20，钼铁粉10-30，石墨粉10-15，氯化铵粉2-3，氧化铝粉25-30，石英砂粉1-10，将上述渗剂原料混合均匀烘干；

c.装罐：取配制好的渗剂10-20%铺于由耐热钢或石英玻璃制成热处理渗罐底部，将经a步骤处理的工装件置放渗罐中间的渗剂层上，工装件四周及表层用余量渗剂填满，渗罐封盖后置于热处理炉内；

d．热处理：设定加热炉升温速率15～20℃/min, 热处理炉升温至950～1050℃后保温时间4-6小时，热处理过程中渗罐以1r/3min的速度转动，保温后随炉缓冷至室温取出渗罐，将工装件取出，清理干净工件表面附着渗剂，即得到含有硅、钼合金耐腐蚀层的热镀锌用工装件。

上述热镀锌用工装件的制备方法，所述b步骤按照如下质量份原料配制渗剂：硅铁粉22-25，硅粉 15-18，钼粉10-18，钼铁粉15-25，石墨粉10-12，氯化铵粉2-3，氧化铝粉25-28，石英砂粉4-8；所述硅铁粉选自FeSi65，硅铁粉粒径100-150目，所述硅粉粒径200-250目；所述钼铁粉选自FeMo60，钼铁粉粒径150-200目，所述钼粉粒径250-300目；所述石墨粉、氯化铵粉、氧化铝粉及石英砂粉的粒径为100-200目。

本发明针对解决热镀锌用工装件耐熔融锌液腐蚀的问题进行了改进，提供了一种可以长期在锌液条件下服役的热镀锌用工装件及该工装件的制备方法。所述热镀锌用工装件以碳钢为基体，通过硅钼共渗的热处理工艺对碳钢基体表面进行改性处理，使基体表面形成具有高化学稳定性、高硬度的合金耐腐蚀层。该合金耐腐蚀层不仅能够改善钢材在锌液腐蚀介质中的耐蚀性，而且还能提高钢材的抗高温氧化性、提高钢材表面的耐磨性，从而大幅度提高热镀锌用工装件的使用寿命。通过锌液腐蚀试验测定表明，按照本发明方法处理的热镀锌用工装件相比普通镀锌用工装件耐锌液腐蚀寿命提高20～30倍。此外，本发明方法无需氩气气氛保护，无需真空条件，工艺过程相对简单，生产成本低廉，适合工业化生产。本发明对提高热镀锌行业的生产效率和经济效益、促进热镀锌行业的可持续发展具有十分积极的意义。

具体实施方式

本发明热镀锌用工装件采用具有良好综合力学性能低碳钢、中碳钢或低合金钢制成工装件基体，然后配制硅钼渗剂，通过包埋渗硅钼工艺对工装件基体表层进行改性热处理，在热处理工序经包埋、加热、热扩散等阶段，使工装件基体表层获得致密的合金耐腐蚀层，合金耐腐蚀层中除硅元素与铁形成Fe3Si合金、钼元素与铁形成Fe3Mo合金外，硅与钼反应形成了以MoSi2为主体的硅化物填充在Fe3Si和Fe3Mo之间，使合金层结构致密，硬度提高无明显气孔和裂纹等缺陷，不仅能够明显提高热镀锌用工装件在锌液腐蚀介质中的耐蚀性，而且还能提高钢材的抗高温氧化性、提高钢材表面的耐磨性，从而大大延长热镀锌用工装件的使用寿命。本发明方法亦可以使用在其它强腐蚀条件下工作的工件。

本发明所述渗剂原料配比（质量份）如下：硅铁粉20-30，硅粉 10-20，钼粉5-20，钼铁粉10-30，石墨粉10-15，氯化铵粉2-3，氧化铝粉25-30，石英砂粉1-10。

进一步的本发明渗剂优选原料配比（质量份）如下：硅铁粉22-25，硅粉 15-18，钼粉10-18，钼铁粉15-25，石墨粉10-15，氯化铵粉2-3，氧化铝粉25-28，石英砂粉4-8；所述硅铁粉选自FeSi65，硅铁粉粒径100-150目，所述硅粉选自工业硅粉（Si99.0%）、粒径200-250目；所述钼铁粉选自FeMo60，钼铁粉粒径150-200目，所述钼粉（Mo99.5%）、粒径250-300目；所述石墨粉、氯化铵粉、氧化铝粉、石英砂粉的粒径为100-200目。

上述渗剂的成分配比对于合金耐腐蚀层的化学成分是至关重要的，渗剂中硅与钼的添加量直接影响到合金耐腐蚀层中硅、钼的含量，进而影响到其机械性能和化学性能。通常随硅、钼含量的增加，合金耐腐蚀层的耐锌液腐蚀性、耐磨性提高。但综合考虑工件的使用状态和造价成本，硅、钼含量应控制在合理的范围内。渗剂中选用粒径较大的硅铁粉与粒径较小的硅粉（工业硅粉）合用，一方面考虑到小粒径的硅粉有利于金属原子热扩散形成渗透层；另一方面考虑到加入大粒径的硅铁粉有利于渗后清理附着渗剂、防止结壳坚硬；此外，适量添加硅铁粉可以降低渗剂成本。本发明原料配比中钼铁粉与钼粉搭配使用目的同样是既能提高钼的渗透扩散程度又能降低制造成本及防止结壳。原料配比中石墨、氧化铝、石英砂作为填充剂，石墨有促进渗硅和减少渗剂板结的作用，氯化铵作为一种活化剂起到清洁工件的作用。

本发明方法包括如下步骤：

1、工装件处理：将加工好的工装件经化学除油、物理除锈后于丙酮或酒精中保存，用前用冷风吹干。工件预处理后于丙酮或酒精中保存，可以防止普碳钢被氧化生锈。

2、配制渗剂：根据工装件的体积配制渗剂，以渗剂能够将工装件全部埋覆为准。

3、装罐：取渗剂量的10-20%铺于耐热钢或石英玻璃制成的热处理渗罐底层，将工装件放入热处理渗罐中间，四周及顶层用余量渗剂填满，使渗剂全部覆盖工装件，封盖后热处理渗罐置于热处理炉内。

4、热处理：设定热处理炉升温速率15～20℃/min,加热炉升温至950～1050℃后保温时间4-6小时。热处理过程中渗罐以1r/3min的速度转动。保温后随炉缓冷至室温取出渗罐，清理干净工件表面附着渗剂，即得到含硅钼合金覆层的工件。

上述热处理工艺对工件覆层厚度起决定性作用，一般情况下合金耐腐蚀层厚度随温度升高和保温时间延长而增加。一定温度下当保温时间超过6小时后厚度增加并不明显，温度升高有利于扩散和金属间化合物的形成，但温度越高金属的氧化损失越严重。本发明经试验后选择温度范围950～1050℃保温时间4-6小时。停止保温后不能立刻打开炉门应随炉缓冷，此条件下形成的合金耐腐蚀层厚度在70-120微米之间，且与基体结合良好，结构均匀致密无裂纹。

以下给出本发明的几个具体实施例：

实施例1：称取粒径为150目的硅铁粉289g（含Si72%），粒径200目的180g硅粉（含Si99.0%），粒径300目的钼粉50g（含Mo99.5%），粒径150目的钼铁粉106g（含Mo62%），粒径100目的石墨粉110g，粒径200目的氯化铵粉20g，粒径150目的氧化铝粉260g，粒径100目的石英砂粉60g，将上述原料混合，充分搅拌均匀，放入烘箱中于105℃干燥半小时，取出放干燥器中备用。

取直径为10毫米长度20毫米的Q235钢试样三根，用碱性脱脂剂除油，用砂纸打磨除锈，表面达到3-4级光洁度，保存于丙酮中，用时用冷风吹干。

在渗罐底部铺放150g渗剂，将一根Q235钢试样放于渗罐中，取适量渗剂在试样周围、顶部覆盖均匀，顶部放置第二根Q235钢试样，并将适量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，顶部放置第三根Q235钢试样，将余量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，使渗罐总容积被占满80%---90%，盖上盖子封固置于加热炉内。

调节热处理炉升温速率15℃/min,当加热炉升温至950℃后保温时间4小时。热处理过程中调节渗罐以1r/3min的速度转动。保温结束断电后缓冷至室温取出渗罐，清理打磨干净工件表面附着渗剂，即得到含硅钼合金覆层的工件。对其表面进行微观硬度、成分、金相组织检测；于470±5℃锌锅内作静态腐蚀实验，腐蚀时间48小时，测定锌液腐蚀速率。

实施例2：称取粒径为100目的硅铁粉235g（含Si72%），粒径200目的硅粉150g（含Si99.0%），粒径300目的钼粉150g（含Mo99.5%），粒径150目的钼铁粉200g（含Mo62%），粒径150目的石墨粉150g，粒径200目的氯化铵粉25g，粒径200目的氧化铝粉250g，粒径150目的石英砂粉40g，将上述原料混合，充分搅拌均匀，放入烘箱中于105℃干燥一小时，取出放干燥器中备用。

取直径为10毫米长度20毫米的Q195钢试样三根，用碱性脱脂剂除油，用砂纸打磨除锈，表面达到3-4级光洁度，保存于丙酮中，用时用冷风吹干。

在渗罐底部铺放180g渗剂，将一根Q195钢试样放于渗罐中，取适量渗剂在试样周围、顶部覆盖均匀，顶部放置第二根Q195钢试样，并将适量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，顶部放置第三根Q195钢试样，将余量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，使渗罐总容积被占满80%---90%，盖上盖子封固置于加热炉内。

调节热处理炉升温速率18℃/min,当加热炉升温至1000℃后保温时间5小时。热处理过程中调节渗罐以1r/3min的速度转动。保温结束断电后缓冷至室温取出渗罐，清理打磨干净工件表面附着渗剂，即得到含硅钼合金覆层的工件。对其表面进行微观硬度、成分、金相组织检测；于470±5℃锌锅内作静态腐蚀实验，腐蚀时间48小时，测定锌液腐蚀速率。

实施例3：称取粒径为150目的硅铁粉200g（含Si72%），粒径250目的硅粉110g（含Si99.0%），粒径300目的钼粉187g（含Mo99.5%），粒径150目的钼铁粉280g（含Mo62%），粒径180目的石墨粉150g，粒径200目的氯化铵粉25g，粒径200目的氧化铝粉280g，粒径150目的石英砂粉80g，将上述原料混合，充分搅拌均匀，放入烘箱中于105℃干燥一小时，取出放干燥器中备用。

取直径为10毫米长度20毫米的45钢试样三根，用碱性脱脂剂除油，用砂纸打磨除锈，表面达到3-4级光洁度，保存于丙酮中，用时用冷风吹干。

在渗罐底部铺放160g渗剂，将一根45钢试样放于渗罐中，取适量渗剂在试样周围、顶部覆盖均匀，顶部放置第二根45钢试样，并将适量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，顶部放置第三根45钢试样，将余量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，使渗罐总容积被占满80%---90%，盖上盖子封固置于加热炉内。

调节热处理炉升温速率20℃/min,当加热炉升温至1050℃后保温时间6小时。热处理过程中调节渗罐以1r/3min的速度转动。保温结束断电后缓冷至室温取出渗罐，清理打磨干净工件表面附着渗剂，即得到含硅钼合金覆层的工件。对其表面进行微观硬度、成分、金相组织检测；于470±5℃锌锅内作静态腐蚀实验，腐蚀时间48小时，测定锌液腐蚀速率。

实施例4：称取牌号为FeSi65、粒径150目的硅铁粉250g，粒径250目的硅粉 190g，粒径300目的钼粉200g，牌号FeMo60、粒径200目的钼铁粉300g，粒径150目的石墨粉120g，粒径200目的氯化铵粉30g，粒径150目的氧化铝粉280g，粒径200目的石英砂粉10g。上述原料混合，充分搅拌均匀，放入烘箱中于105℃干燥半小时，取出放干燥器中备用。

取直径20毫米、长度40毫米的45钢试样用碱性脱脂剂除油，用砂纸打磨除锈，表面达到3-4级光洁度，保存于酒精中，用时用冷风吹干。

在渗罐底部铺放230g渗剂，将处理好的45钢试样放于渗罐中，取余量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，渗罐盖上盖子封固，置于加热炉内。

调节热处理炉升温速率20℃/min,当加热炉升温至1050℃后保温时间6小时。热处理过程中渗罐以1r/3min的速度转动。保温结束断电后随炉缓冷至室温取出渗罐，清理打磨干净试样工件表面附着渗剂，即得到含硅钼合金耐腐蚀层的试样工件。

实施例5：称取牌号为FeSi65、粒径100目的硅铁粉220g，粒径200目的硅粉 100g，粒径250目的钼粉100g，牌号FeMo60、粒径150目的钼铁粉150g，粒径150目的石墨粉100g，粒径200目的氯化铵粉20g，粒径200目的氧化铝粉250g，粒径200目的石英砂粉40g。上述原料混合，充分搅拌均匀，放入烘箱中于105℃干燥一小时，取出放干燥器中备用。

取直径20毫米、长度40毫米的Q235钢试样用碱性脱脂剂除油，用砂纸打磨除锈，表面达到3-4级光洁度，保存于丙酮中，用时用冷风吹干。

在渗罐底部铺放200g渗剂，将处理好的Q235钢试样放于渗罐中，取余量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，渗罐盖上盖子封固，置于加热炉内。

调节热处理炉升温速率15℃/min,当加热炉升温至950℃后保温时间4小时。热处理过程中渗罐以1r/3min的速度转动。保温结束断电后随炉缓冷至室温取出渗罐，清理打磨干净试样工件表面附着渗剂，即得到含硅钼合金耐腐蚀层的试样工件。

实施例6：称取牌号为FeSi65、粒径100目的硅铁粉300g，粒径200目的工业硅粉200g，粒径250目的钼粉180g，牌号FeMo60、粒径150目的钼铁粉250g，粒径150目的石墨粉150g，粒径100目的氯化铵粉24g，粒径100目的氧化铝粉300g，粒径100目的石英砂粉100g。上述原料混合，充分搅拌均匀，放入烘箱中于105℃干燥一小时，取出放干燥器中备用。

取直径15毫米、长度40毫米的Q235钢试样用碱性脱脂剂除油，用砂纸打磨除锈，表面达到3-4级光洁度，保存于丙酮中，用时用冷风吹干。

调节热处理炉升温速率18℃/min,当加热炉升温至950℃后保温时间5小时。热处理过程中渗罐以1r/3min的速度转动。保温结束断电后随炉缓冷至室温取出渗罐，清理打磨干净试样工件表面附着渗剂，即得到含硅钼合金耐腐蚀层的试样工件。

实施例7：称取牌号为FeSi65、粒径100目的硅铁粉240g，粒径200目的工业硅粉160g，粒径250目的钼粉60g，牌号FeMo60、粒径150目的钼铁粉100g，粒径150目的石墨粉130g，粒径200目的氯化铵粉27g，粒径100目的氧化铝粉270g，粒径100目的石英砂粉70g。上述原料混合，充分搅拌均匀，放入烘箱中于105℃干燥一小时，取出放干燥器中备用。

在渗罐底部铺放180g渗剂，将处理好的Q235钢试样放于渗罐中，取余量渗剂在其周围、顶部覆盖均匀，渗罐盖上盖子封固，置于加热炉内。

取实施例1、实施例2、实施例3的试样进行检测，其结果见下表：

Claims

1.一种热镀锌用工装件，其特征在于：所述工装件以碳钢为基体，在碳钢基体表面覆盖合金耐腐蚀层，合金耐腐蚀层厚度为70-120微米，合金耐腐蚀层含硅、钼，硅、钼以Fe₃Si+Fe₃Mo+MoSi₂形式存在，合金耐腐蚀层含硅量为5-15％、含钼量为2-10％。

2.根据权利要求1所述的热镀锌用工装件，其特征在于：所述工装件的碳钢基体为低碳钢、中碳钢或低合金钢。

3.一种热镀锌用工装件的制备方法，其特征在于：按照下述步骤进行：

b.配制渗剂；按照如下质量份原料配制渗剂：硅铁粉20-30，硅粉10-20，钼粉5-20，钼铁粉10-30，石墨粉10-15，氯化铵粉2-3，氧化铝粉25-30，石英砂粉1-10，将上述渗剂原料混合均匀烘干；

c.装罐：取配制好的渗剂总质量的10-20％铺于由耐热钢或石英玻璃制成的热处理渗罐的底部，将经a步骤处理的工装件置放于铺在热处理渗罐的底部的渗剂上，工装件四周及顶层用余量的渗剂填满，热处理渗罐封盖后置于热处理炉内；

d.热处理：设定热处理炉升温速率15～20℃/min,热处理炉升温至950～1050℃后保温时间4-6小时，热处理过程中热处理渗罐以1r/3min的速度转动，保温后随炉缓冷至室温取出热处理渗罐，将工装件取出，清理干净工装件表面附着的渗剂，即得到含有硅、钼的合金耐腐蚀层的热镀锌用工装件。

4.根据权利要求3所述的热镀锌用工装件的制备方法，其特征在于：所述b步骤按照如下质量份原料配制渗剂：硅铁粉22-25，硅粉15-18，钼粉10-18，钼铁粉15-25，石墨粉10-12，氯化铵粉2-3，氧化铝粉25-28，石英砂粉4-8；所述硅铁粉为FeSi65粉，硅铁粉粒径100-150目，所述硅粉粒径200-250目；所述钼铁粉为FeMo60粉，钼铁粉粒径150-200目，所述钼粉粒径250-300目；所述石墨粉、氯化铵粉、氧化铝粉及石英砂粉的粒径为100-200目。