CN105420667B - 一种低温合金共渗金属防腐工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属热处理与冶金相结合的技术领域，进一步而言，属于金属表面防腐技术领域，更具体的，本发明涉及一种低温合金共渗金属防腐工艺。该方法包括工件预处理、装炉、加热、电解抛光、钝化处理等步骤，其中加热为200℃~380℃保温1~1.5h。与现有的其他高温镀锌防腐工艺相比，本发明具有涂层厚度均匀性好、合金共渗防腐层与金属基体结合强度高，硬度高，且耐磨损和抗划伤能力强、对于构件机械性能影响小，没有氢脆现象、处理工艺无污染，且抗腐蚀性、抗氧化性性能优良等优点，具有较好地推广应用价值。

Description

一种低温合金共渗金属防腐工艺

技术领域

本发明属于金属热处理与冶金相结合的技术领域，进一步而言，属于金属表面防腐技术领域，更具体的，本发明涉及一种低温合金共渗金属防腐工艺。

背景技术

现有技术中，采用合金共渗防腐技术处理的产品，其本体主要为钢铁类产品，涉及到电力、铁路、公路、汽车及军工设备等多个行业的必用配件，如常用户外标准件、螺钉、螺母、铁路钢轨扣配件、信号器材、电力出土管、电缆托架等。对于这些配件不仅要求工件的内在性能高，还要求工件25年不能生锈，并且对螺纹间拉力载荷也有很高的要求。

为了防止标准件生锈，以便以后维修方便，现有的合金共渗防腐方法多是在工件表面进行粉末热渗锌来解决此问题。常用的的工件粉末热渗锌的方法是：工件→碱性除油→酸性除锈磷化→敷锌粉→装炉加温渗透固化→出炉→硝酸出光→铬酸钝化→成品。这种方法处理的钢铁制件虽然防锈能力有所提高，但是盐雾试验一般不超过200小时，目前国内的技术为了达到更高的盐雾要求，都是在渗锌层表面涂油漆或达克罗加厚保护层，对环境进行了二次污染，降低了表面强度及硬度，给施工安装带来更大不变，效率受阻。实际户外应用5年左右就会出现锈斑，远达不到特殊行业的25年的防腐使用要求，这也是世界难题。

现有的粉末热渗锌的技术缺陷主要有：1、加热渗锌后，采用的硝酸出光、铬酸钝化等工序中，使用了硝酸等化工原料，容易产生严重的重金属铬污染，不仅污染环境，还损害生产人员的身心健康，而且对高强度螺栓、弹簧类工件，还会产生氢脆现象；2、为了保证一定的防腐性能，需要较厚的渗锌层，一般不低于40μm，影响了螺纹间的公差尺寸，使施工当中拧不上螺母，必须把螺母加大，但螺母加大后，可能造成螺纹间松动、拉力不够，在安全上存在很大的隐患；3、粉末渗锌的加热渗锌工序，加热温度在400℃～480℃，温度较高，造成高强度螺栓、弹簧类工件的二次回火，降低了其机械性能和疲劳寿命。

基于上述技术缺陷，研究一种处理工艺简单、温度较低、节省能源，且在生产过程中不污染环境、不损害生产人员身心健康的新型金属防腐工艺，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明主要目的是提供一种低温合金共渗金属工艺，相较于现有的粉末热渗锌方法，具有处理温度低、工艺简单、环保性能优良等优点。

本发明的详细技术方案如下所述。

一种低温合金共渗金属防腐工艺，对工件具体处理具体工序为：工件除油除锈→敷金属粉末→装炉加热→出炉→水洗→电解抛光→钝化→烘干→成品；具体过程为：

（1）工件预处理，对工件进行预处理，除去工件表面油渍、锈渍等杂质，具体例如可采用70℃的NaOH溶液浸泡5分钟除油，或者例如采用网带炉加热至300℃~350℃保温15分钟除油；工业化生产过程中采用抛丸机进行除锈，也可采用喷砂除锈工艺去除锈渍；

（2）装炉、加热，在步骤（1）中预处理后的工件置于加热炉内，再加入金属粉末，200℃~380℃保温1~1.5h；具体例如260℃~350℃保温1~1.2h、220℃保温1.5h、250℃保温1.2h、300℃保温1h、350℃保温1h等；

优选方案中，加热保温过程中，工件可以滚动，例如滚动时可以连续滚动并正转5分钟反转5分钟，从而使得冶金结合形式形成的锌原子均匀地渗入工件基体表面；

所述金属粉末优选为经微波、磁场活化的纳米金属粉末，具体为，将单质锌和氯化锌按照一定的质量比例采用微波加热方式加热至300℃即可；

需要说明的是，纳米金属粉末的活化较为适用于对温度敏感的金属基体（主要是针对金属基体在300℃以上处理温度时金属基体机械、物理性能等易受到影响或变化的金属基体），而对于处理温度在300℃以上时的金属材质如铸造件，其机械性能、物理性能等基本不受影响，纳米金属粉末可不进行活化；

单质锌与氯化锌的质量比具体可为：单质锌：氯化锌=20~40：1，优选比例为30：1；

所述单质锌具体可为蒸馏锌，进一步地，具体可为325目的蒸馏锌；

金属粉末（即单质锌和氯化锌）用量为工件质量的15‰～25‰，具体例如18‰～20‰、22‰等；

（3）电解抛光，将步骤（2）中加热处理后工件出炉后，自然降温至室温，然后进行水洗，干燥后进行电解抛光；

所述电解抛光为：将工件作为阳极，以铁板为阴极，电解液组成为：NaOH 200g/L、硫酸镍15g/L、乙二胺22g/L、三乙醇胺40g/L，电解20～60分钟，通过电解抛光将工件表面多余的锌离子置换到了阴极铁板上；

（4）钝化处理，将步骤（3）中电解抛光后工件采用无铬钝化剂进行钝化处理，钝化时间为10～30s；

所述无铬钝化剂主要成分为：氯化钠45-65g/L、氯化镍5-10g/L、硫酸亚铁5-10g/L、锌粉5-8g/L，钝化温度20~35℃，将钝化处理后工件烘干后即为防腐处理完成的工件成品；

处理完成后，工件表面合金共渗防腐层厚度为8~25μm，优选厚度为8~15μm。

低温合金共渗防腐技术是一种热扩散表面强化技术，它是利用加热状态下将一种或多种金属元素（如锌）扩散进入钢铁构件表面，制备Zn～Fe合金保护层的一种化学热处理工艺。本发明利用此技术将金属粉末渗入固定于金属基体表面，从而为金属基体提供保护。由于采用此技术所形成的粉末渗锌涂层与钢铁基体的结合强度很高，且该涂层具有优异的抗高温氧化性、耐腐蚀性和抗磨损与抗冲击等特性，能极大地提高金属构件的使用性能，因而在钢铁材料防腐工程领域具有广泛应用前景。

本发明所提供的低温合金共渗金属防腐方法，与现有的其他高温镀锌防腐工艺相比，其技术优势具体有如下几点。

第一，涂层厚度均匀性好；采用本发明对金属基体进行防腐处理时，所制备的Zn/Fe合金防腐层厚度均匀，且防腐层厚度仅取决于加热温度和保温时间，与构件的形状和不同位置基本无关；所形成的防腐层厚度在8～35 μm 之间，针对螺丝等配件进行处理时，不需附加间隙，不需要再攻丝，能够较好解决紧固件间公差配合问题；而现有的高温热浸锌涂层厚度一般在15～130μm之间，且锌涂层厚度均匀性差、不易控制，容易受构件形状影响。

第二，合金共渗防腐层与金属基体结合强度高，硬度高，且耐磨损和抗划伤能力强；采用本发明对金属基体进行防腐处理时，所制备的Zn/Fe合金防腐层作为一种扩散冶金结合方式存在，具有很好的附着强度。检测表明，其涂层与母材界面拉伸强度：600～700kg/mm²，涂层表面层拉伸强度为：300～350kg/mm²；对该防腐层的进一步检测表明，其显微硬度为250～500 HV，而采用现有高温热浸镀锌技术表明所制备的锌涂层，由于其仅为纯锌，其硬度仅在75～88 HV左右。

第三，对于构件机械性能影响小，没有氢脆现象；采用本发明对金属基体进行防腐处理时，由于加热温度较低（260～380℃），而构件回火时回火温度相对高于本发明中的加热温度（一般均在350℃以上），因而对于构件的机械性能影响较小；而构件产生氢脆现象原因往往是由于表面处理过程中伴随有H+→H—e 反应，反应析出的H 原子进入钢基体造成氢脆现象，同时构件处理过程中的酸洗处理也会造成此现象，采用本发明对金属基体进行防腐处理时，由于处理温度低，处理时间相对较长，此温度下吸入钢基体的氢原子能够较为充分的扩散逸出，因而可有效减少氢脆的危害，同时通过优化钝化工艺，避免酸洗处理，因而避免氢脆现象发生；而现有高温热浸镀锌工艺，由于处理温度高、处理时间短，因此很难彻底避免氢脆的产生。

第四，处理工艺无污染，且抗腐蚀性、抗氧化性性能优良；采用本发明处理构件过程中，无锌废料、锌蒸汽等污染物产生，且由于采用了无铬钝化试剂，因而对于环境影响较小； 采用本发明处理后构件，由于表面合金共渗防腐层主要为Fe-Zn 合金组织，因而既可保护金属基体，但又不像纯锌那样牺牲得太快，因而能够更为有效保护金属基体；试验检测表明，本发明处理后金属基体表面的s合金共渗防腐层的耐腐蚀性比现有的高温热浸镀锌工艺高2～4倍，且中性盐雾试验中，在1000个小时时亦不出现红锈现象，可确保构件户外使用20年以上时也不出现生锈现象。

总体而言，本发明对于现有的金属防腐工艺进行了各环节改进，通过改进防腐处理温度、金属粉末比例、钝化处理工艺等，在确保构件机械性能不受影响的基础上，较好实现了防腐目标，且处理工艺更为绿色环保，因而具有较好地推广应用价值。为进一步说明本发明的技术优势，将本发明与现有其他常用镀锌技术指标对比列表如下（表中“合金共渗”即为本发明）：

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具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的介绍说明。在介绍具体实施例前，对下述实施例中所涉及部分实验的检测依据、检测项目、检测设备简要介绍说明如下。

检测依据主要有：科技基【2007】207号《客运专线弹条Ⅳ型、弹条Ⅴ型、WJ-7型、WJ-8型扣件暂行技术条件》、GB/T10125-2012 《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》、GB/T6461-2002《金属基体上金属和其他无机覆盖层 经腐蚀试验后的试样和试件的评级》、JB/T5069-2007《钢铁零件渗金属层金相检验方法》、GB/T 13298-1991 《金属显微组织检验方法》、GB/T4340.1-2009 《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》、GB/T 6462-2005 《金属和氧化物覆盖层 厚度测量显微镜法》等。

检测项目主要有：盐雾试验、疲劳试验、金相组织（回火）检测、冷弯性能、弯曲试验、洛氏硬度检测等；

检测样品包括：WJ-7型扣件、弹条、六角头螺栓及其配套六角螺母或防盗螺母（型号M15）等。

检测仪器主要有：洛氏硬度计、600DX液压伺服万能材料试验机、GX71倒置式系统金相显微镜、VMH-104显微硬度计、PT-20弹条疲劳试验机、盐雾试验箱；

盐雾试验箱内试验条件为：氯化钠 50±5g/L，pH 6.5~7.2，温度 35±1℃，盐雾沉降量 1~2 mL/h，连续喷雾，每48小时照相，对样品是否产生红锈现象及产生程度进行记录；试验时间根据需要设定。

需要说明的是，由于语言习惯问题，文中所述构件、工件含义相同，均是指待处理的金属基体样品，需注意的是，本发明中所述金属基体样品虽然多是铁基（或说钢铁基）金属样品，但采用本发明的防腐处理工艺时，其应用范围不应仅限于铁基样品。

另外需要说明的是，本发明中所述合金共渗、低温合金共渗等均是指本发明所提供的低温合金共渗金属防腐处理方法；而高温热浸镀锌、热浸镀锌、高温镀锌等均是指现有的镀锌工艺（处理温度通常在450℃左右），相关文字描述区别仅属于文字描述习惯问题，相关区别并不会造成本领域技术人员的歧义或者误解。

实施例1

本实施例以高速铁路轨道用弹条1000kg为例，进行了低温合金共渗金属防腐处理，具体处理过程如下所述。

（1）工件预处理，对工件采用网带炉加热至320℃保温15分钟清除工件表面的油渍，然后采用喷砂除锈工艺去除工件表面的锈渍；

（2）装炉，在步骤（1）中预处理后的工件置于加热炉内，再加入金属粉末；

所述的金属粉末，为经微波、磁场活化的纳米金属粉末，具体为：用325目工业蒸馏锌和氯化锌按照30:1的质量比例密闭在微波状态下加热至300℃即可，加入比例为工件质量的15‰；即对高速铁路轨道用弹条表面均匀涂敷15kg活化后的金属粉末；

（3）加热，将步骤（2）中加热炉加热至260℃保温1.5h，加热保温过程中连续滚动正转5分钟反转5分钟，在加热滚动过程中，以冶金结合的形式使锌原子渗入工件基体表面；

（4）电解抛光，将步骤（3）中加热处理后工件出炉后，自然降温至室温，然后进行水洗，干燥后置于电解用滚筒内进行电解抛光；

所述电解抛光为：将工件作为阳极，以铁板为阴极，电解液为：NaOH 200mL/L、硫酸镍15g/L、乙二胺22g/L、三乙醇胺40g/L，电解20～60分钟，通过电解抛光将工件表面多余的锌离子置换到了阴极铁板上；

（5）钝化处理，将步骤（4）中电解后工件倒出电解用滚筒后，采用无铬钝化剂进行钝化处理，钝化温度28℃，钝化时间为20s；然后将工件水洗、烘干后即为防腐处理完成后成品；

所述无铬钝化剂主要成分：氯化钠45-65g/L、氯化镍5-10g/L、硫酸亚铁5-10g/L、锌粉5-8g/L。

对处理后弹条随机抽取部分样品进行检测，检测结果如下表所示（表中1#~13#为所随机抽取样品编号）：

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从上表中可以看出，在金属基体表面合金共渗防腐层厚度在13~14μm左右，厚度均匀，且中性盐雾试验1000h时（理论而言，防腐层厚度为6μm时，如果可通过600小时以上盐雾试验，户外理论防锈时间可达10年以上；防腐层厚度为15μm时，如果可通过2000小时以上盐雾试验，户外理论防锈时间可达30年以上），也未出现红锈现象，表明合金共渗防腐层具有较好的防腐蚀效果。

从本实施例可以看出，本发明所提供的低温合金共渗防腐处理方法，工序较少，处理工艺简单，且各工序成熟度较高，生产速度快，因而生产效率可大大提高。处理工序中无需酸性化工和重金属原料，不造成环境污染，不对生产工人造成身心伤害。防腐处理过程中电解过程简单、工艺成熟，电解出的锌离子可被循环利用，节省了能源。同时用该方法处理的工件表面光洁度亮度和耐腐蚀程度都远远超过了传统的粉末渗锌；同时工件的强度、韧性、尺寸精度都得到了非常好的保证，使用寿命和安全系数大大提高。

实施例2

本实施例高速铁路上所用螺旋道钉为例，进行了防腐处理，处理方法同实施例1。处理完成后，部分样品检测结果如下所述。

断后伸长率、断面收缩率、芯部洛氏硬度、防腐层厚度、冷弯性能检验结果如下表所示：

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实物拉力、中性盐雾试验（1000h）检验结果如下表所示：

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从上表中检测结果可以看出，本发明处理后金属基体表面的合金共渗防腐层厚度均匀，且相对较薄，因而可较好减小紧固螺栓间的公差问题，同时合金共渗防腐层的硬度较好、防腐蚀性能较好，对于金属基体本身的机械性能没有影响，因而能够对金属基体起到有效的防护作用。

在上述实施例基础上，发明人对高速铁路轨道中常用其他工件，如锚固螺栓B1、T型螺栓T1、重型弹簧垫圈、螺母、平垫圈、预埋铁座TZ4和WJ8铁垫板等，分批次进行了防腐处理后，检测结果均表明，合金共渗防腐层厚度在10~15 μm左右，而且中性盐雾试验在达到1000h以上时，未出现红锈现象，在2.5kg重锤冲击、螺栓15°冷弯、实际安装并拆卸多次后的中性盐雾试验中，工件的试验时间也能达到较好技术效果，未出现红锈现象。

需要强调的是，上述实施例仅为本发明技术方案的较佳实施例和较为简要的说明，在上述实施例基础上，对技术方案进行适当调整后，即可获得本发明的完整的技术方案，此处不再过于重复描述。

Claims (5)

1.一种低温合金共渗金属防腐工艺，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）工件预处理，除去工件表面杂质；所述工件为铁基样品；

（2）装炉、加热，将步骤（1）中预处理后的工件置于加热炉内，再加入金属粉末，200℃~380℃保温1~1.5h；

金属粉末用量为工件质量的15‰～25‰；

所述金属粉末为单质锌和氯化锌的混合物；以质量比计，单质锌：氯化锌=20~40：1，

（3）电解抛光，将步骤（2）中加热处理后工件出炉，再经降温，水洗，干燥后进行电解抛光；

（4）钝化处理，将步骤（3）中电解抛光后工件进行钝化处理即可；

处理完成后，工件表面合金共渗防腐层厚度为8~25μm；

步骤（4）中，钝化时采用无铬钝化剂，成分为：氯化钠45~65g/L、氯化镍5~10g/L、硫酸亚铁5~10g/L、锌粉5~8g/L。

2.如权利要求1所述低温合金共渗金属防腐工艺，其特征在于，步骤（2）中，所述单质锌为325目的蒸馏锌。

3.如权利要求1所述低温合金共渗金属防腐工艺，其特征在于，步骤（2）中，以质量比计，单质锌：氯化锌=30：1。

4.如权利要求1所述低温合金共渗金属防腐工艺，其特征在于，步骤（3）中，电解时，将工件作为阳极，以铁板为阴极，电解液组成为：NaOH 200g/L、硫酸镍15g/L、乙二胺22g/L、三乙醇胺40g/L。

5.如权利要求1所述低温合金共渗金属防腐工艺，其特征在于，步骤（1）中，所述金属粉末为采用微波加热方式加热至300℃活化的纳米金属粉末。