CN106498451B - 一种铁镍合金-低碳钢复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种铁镍合金-低碳钢复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铁镍合金‑低碳钢复合材料及其制备方法，涉及金属复合材料领域，包括：低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铁镍合金层，铁镍合金层的厚度为50‑130μm，铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层方向，Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低。本发明中铁镍合金与低碳钢呈梯度连接，结合牢固，复合材料表面结构致密，镍含量可控，耐腐蚀性好，具有铁镍合金和低碳钢的综合性能。

Description

一种铁镍合金-低碳钢复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属复合材料领域，更具体的涉及一种铁镍合金-低碳钢复合材料及其制备方法。
背景技术
碳钢作为制备成本低、制造工艺简单，同时具有良好的力学性能和优良的加工性能的金属材料，在各行各业得到了广泛的应用。然而，这种材料存在易腐蚀、耐磨性差等致命弱点。铁镍合金材料是一种在铁(碳钢)中加入镍而制备成的材料，由于它具有特殊的磁性能、吸波性能、耐腐蚀性能和耐磨性能等优点，在许多行业得到了应用。但是，由于铁镍合金材料中镍含量在30％-90％，必须消耗大量的金属镍，价格昂贵，严重制约了它的广泛使用。并且在制备铁镍合金材料上也存在不足，例如以铁镍合金粉为目标的制备存在粉末受粉碎过程中诸多因素影响太大，难以控制，且制备出的合金微粒多为球形，或粒子团聚现象较严重，会形成链状结构降低饱和磁化强度等，使用电镀法制备铁镍合金时受到合金成分范围限制，使镀层不能太厚，镀层质量无法保证。目前尚无铁镍合金-低碳钢复合材料及其制备方法。
发明内容
本发明提供一种铁镍合金-低碳钢复合材料及其制备方法，使得铁镍合金和低碳钢形成梯度连接，具有镍含量可控，材料耐腐蚀性好等综合优良性能。
本发明提供的铁镍合金-低碳钢复合材料，包括：低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铁镍合金层，所述铁镍合金层的厚度为50-130μm，所述铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层方向，Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低。
优选的，低碳钢基体层含碳量为0.02-0.25％。
一种铁镍合金-低碳钢复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、低碳钢板的前处理
将低碳钢板使用砂纸打磨至出现镜面效果，使用盐酸和酒精的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1-3min，将在盐酸酒精混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为40-60℃的NaOH溶液中，浸泡时间为10-15min，使用超声波清洗器清洗浸泡过NaOH溶液的低碳钢板5-10min，再使用酒精对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将酒精冲洗后的低碳钢板进行干燥；
步骤2、对低碳钢板镀镍处理
将步骤1中处理后的低碳钢板为阴极，镍板为阳极，使用NiSO4·6H2O、H3BO4、NH4Cl和十二烷基硫酸钠的混合液为镀液，电镀温度为40-60℃，阴极电流密度为20-30mA·cm-2，电镀10-20min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀镍低碳钢板；
步骤3、对镀镍低碳钢板进行扩散处理
将步骤2中得到的镀镍低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到1050-1150℃，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为60-120min，恒温扩散达到预定时间后，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀镍低碳钢板，得到层状复合结构的铁镍合金-低碳钢复合材料。
优选的，步骤1中盐酸与酒精的体积比为1:10，所述NaOH溶液的浓度为10％。
优选的，步骤2中，镀液包括250g/L NiSO4·6H2O，30g/L H3BO4，30g/L NH4Cl，0.1g/L十二烷基硫酸钠，溶剂为水。
优选的，步骤2中使用的镍板为纯镍板。
优选的，步骤2中采用双向脉冲给电进行镀镍。
优选的，步骤3中对镀镍低碳钢板进行扩散处理时，采用氩气进行保护。
本发明中，以低碳钢为基体，经镍在低碳钢基体中扩散，得到在基体外层厚度约为50-130μm的铁镍合金层，其中，铁镍合金层中由内到外呈现镍含量逐渐升高，铁含量逐渐降低的梯度状态，采用水溶液电镀的方法提供镍扩散源并实现扩散的金属镍与低碳钢之间紧密结合，降低镍在碳钢中的扩散阻力，提高扩散速度；采用较高的扩散温度，加速铁镍合金层的增厚，镍的扩散进入使碳钢晶粒得到明显细化，随表面镍含量的升高材料的耐腐蚀性增强，铁镍合金与低碳钢呈梯度连接，结合牢固，复合材料表面结构致密，镍含量可控，耐腐蚀性好，具有铁镍合金和低碳钢的综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1制备的铁镍合金-低碳钢复合材料单侧元素含量与深度分布图；
图2为本发明实施例2制备的铁镍合金-低碳钢复合材料单侧元素含量与深度分布图；
图3为本发明实施例3制备的铁镍合金-低碳钢复合材料单侧元素含量与深度分布图；
图4为本发明实施例1制备的铁镍合金-低碳钢复合材料金相图。
具体实施方式
实施例1
如图4所示，本发明实施例1提供一种铁镍合金-低碳钢复合材料，其结构为低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铁镍合金层，铁镍合金层的厚度为50μm，铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层方向，Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低，其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、低碳钢板的前处理
首先，以长、宽均为20mm，厚度1mm的低碳钢板作为基体，选用含碳量为0.02％的低碳钢，将低碳钢板依次使用200-2000#砂纸打磨至出现镜面效果，使用盐酸和酒精的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1min，其中，盐酸与酒精的体积比为1:10，将在盐酸酒精混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为50℃，浓度为10％的NaOH溶液中，浸泡10min，使低碳钢板彻底的除锈、脱脂和除油，然后在超声波清洗器中使用去离子水清洗浸泡过NaOH溶液的低碳钢板5min，除去低碳钢板上的残留溶液，再使用酒精对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将酒精冲洗后的低碳钢板进行干燥。
步骤2、对低碳钢板镀镍处理
将步骤1中处理后的低碳钢板为阴极，纯镍板设为阳极，使用250g/L NiSO4·6H2O、30g/L H3BO4、30g/LNH4Cl和0.1g/L十二烷基硫酸钠的混合液为镀液，控制电镀温度为50℃，阴极电流密度为25mA·cm-2，双向脉冲给电，电镀15min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀镍低碳钢板。
步骤3、对镀镍低碳钢板进行扩散处理
将步骤2中得到的镀镍低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，加热时使用氩气作为保护气体，当炉温达到1050℃，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为60min，恒温扩散达到预定时间后，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀镍低碳钢板，得到层状复合结构的铁镍合金-低碳钢复合材料。
如图1所示，选用3.5％的NaCl溶液作为腐蚀溶液，对得到的铁镍合金-低碳钢复合材料进行表面腐蚀检测，得出表面腐蚀电位为-0.502V。对铁镍合金-低碳钢复合材料进行元素检测，得出铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低，表面镍含量为100％。
实施例2
本发明实施例2提供一种铁镍合金-低碳钢复合材料，其结构为低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铁镍合金层，铁镍合金层的厚度为85μm，铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层方向，Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低，其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、低碳钢板的前处理
首先，以长、宽均为50mm，厚度10mm的低碳钢板作为基体，选用含碳量为0.10％的低碳钢，将低碳钢板依次使用200-2000#砂纸打磨至出现镜面效果，使用盐酸和酒精的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1min，其中，盐酸与酒精的体积比为1:10，将在盐酸酒精混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为50℃，浓度为10％的NaOH溶液中，浸泡10min，使低碳钢板彻底的除锈、脱脂和除油，然后在超声波清洗器中使用去离子水清洗浸泡过NaOH溶液的低碳钢板5min，除去低碳钢板上的残留溶液，再使用酒精对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将酒精冲洗后的低碳钢板进行干燥。
步骤2、对低碳钢板镀镍处理
将步骤1中处理后的低碳钢板为阴极，纯镍板为阳极，使用250g/L NiSO4·6H2O、30g/L H3BO4、30g/LNH4Cl和0.1g/L十二烷基硫酸钠的混合液为镀液，控制电镀温度为50℃，阴极电流密度为25mA·cm-2，双向脉冲给电，电镀15min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀镍低碳钢板。
步骤3、对镀镍低碳钢板进行扩散处理
将步骤2中得到的镀镍低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，加热时使用氩气作为保护气体，当炉温达到1100℃，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为90min，恒温扩散达到预定时间后，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀镍低碳钢板，得到层状复合结构的铁镍合金-低碳钢复合材料。
如图2所示，选用3.5％的NaCl溶液作为腐蚀溶液，对得到的铁镍合金-低碳钢复合材料进行表面腐蚀检测，得出表面腐蚀电位为-0.055V。对铁镍合金-低碳钢复合材料进行元素检测，得出铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低，表面镍含量为75％。
实施例3
本发明实施例3提供一种铁镍合金-低碳钢复合材料，其结构为低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铁镍合金层，铁镍合金层的厚度为130μm，铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层方向，Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低，其制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、低碳钢板的前处理
首先，以长、宽均为100mm，厚度20mm的低碳钢板作为基体，选用含碳量为0.25％的低碳钢，将低碳钢板依次使用200-2000#砂纸打磨至出现镜面效果，使用盐酸和酒精的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1min，其中，盐酸与酒精的体积比为1:10，将在盐酸酒精混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为50℃，浓度为10％的NaOH溶液中，浸泡10min，使低碳钢板彻底的除锈、脱脂和除油，然后在超声波清洗器中使用去离子水清洗浸泡过NaOH溶液的低碳钢板5min，除去低碳钢板上的残留溶液，再使用酒精对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将酒精冲洗后的低碳钢板进行干燥。
步骤2、对低碳钢板镀镍处理
将步骤1中处理后的低碳钢板为阴极，纯镍板为阳极，使用250g/L NiSO4·6H2O、30g/L H3BO4、30g/LNH4Cl和0.1g/L十二烷基硫酸钠的混合液为镀液，控制电镀温度为50℃，阴极电流密度为25mA·cm-2，双向脉冲给电，电镀15min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀镍低碳钢板。
步骤3、对镀镍低碳钢板进行扩散处理
将步骤2中得到的镀镍低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，加热时使用氩气作为保护气体，当炉温达到1150℃，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为120min，恒温扩散达到预定时间后，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀镍低碳钢板，得到层状复合结构的铁镍合金-低碳钢复合材料。
如图3所示，选用3.5％的NaCl溶液作为腐蚀溶液，对得到的铁镍合金-低碳钢复合材料进行表面腐蚀检测，得出表面腐蚀电位为-0.328V。对铁镍合金-低碳钢复合材料进行元素检测，得出铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低，表面镍含量为30％。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种铁镍合金-低碳钢复合材料，其特征在于，包括：低碳钢基体和复合在低碳钢基体上的铁镍合金层，所述铁镍合金层的厚度为50-130μm，所述铁镍合金层中，由低碳钢基体向铁镍合金层方向，Ni含量梯度升高，Fe含量梯度降低；
所述铁镍合金-低碳钢复合材料是通过如下方法制备得到的：
步骤1、低碳钢板的前处理
将低碳钢板使用砂纸打磨至出现镜面效果，使用盐酸和酒精的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1-3min，将在盐酸酒精混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为40-60℃的NaOH溶液中，浸泡时间为10-15min，使用超声波清洗器清洗浸泡过NaOH溶液的低碳钢板5-10min，再使用酒精对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将酒精冲洗后的低碳钢板进行干燥；
步骤2、对低碳钢板镀镍处理
将步骤1中处理后的低碳钢板为阴极，镍板为阳极，使用NiSO4·6H2O、H3BO4、NH4Cl和十二烷基硫酸钠的混合液为镀液，电镀温度为40-60℃，阴极电流密度为20-30mA·cm-2，电镀10-20min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀镍低碳钢板；
步骤3、对镀镍低碳钢板进行扩散处理
将步骤2中得到的镀镍低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到1050-1150℃，将镀镍低碳钢板推入高温恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为60-120min，恒温扩散达到预定时间后，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀镍低碳钢板，得到层状复合结构的铁镍合金-低碳钢复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铁镍合金-低碳钢复合材料，其特征在于，所述低碳钢基体含碳量为0.02-0.25％。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的铁镍合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、低碳钢板的前处理
将低碳钢板使用砂纸打磨至出现镜面效果，使用盐酸和酒精的混合溶液对打磨后的低碳钢板进行浸泡，浸泡时间为1-3min，将在盐酸酒精混合溶液中浸泡后的低碳钢板再浸入温度为40-60℃的NaOH溶液中，浸泡时间为10-15min，使用超声波清洗器清洗浸泡过NaOH溶液的低碳钢板5-10min，再使用酒精对清洗后的低碳钢板进行冲洗，将酒精冲洗后的低碳钢板进行干燥；
步骤2、对低碳钢板镀镍处理
将步骤1中处理后的低碳钢板为阴极，镍板为阳极，使用NiSO4·6H2O、H3BO4、NH4Cl和十二烷基硫酸钠的混合液为镀液，电镀温度为40-60℃，阴极电流密度为20-30mA·cm-2，电镀10-20min后取出低碳钢板，水洗烘干后得到镀镍低碳钢板；
步骤3、对镀镍低碳钢板进行扩散处理
将步骤2中得到的镀镍低碳钢板放入高温扩散炉的进气端低温段进行加热，当炉温达到1050-1150℃，将镀镍低碳钢板推入高温恒温段进行恒温扩散，恒温扩散时间为60-120min，恒温扩散达到预定时间后，将镀镍低碳钢板推入高温扩散炉气体出口端低温位置进行冷却，当炉温降低至200℃以下取出镀镍低碳钢板，得到层状复合结构的铁镍合金-低碳钢复合材料。
4.根据权利要求3所述的铁镍合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中盐酸与酒精的体积比为1:10，所述NaOH溶液的浓度为10％。
5.根据权利要求3所述的铁镍合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，镀液包括250g/L NiSO4·6H2O，30g/L H3BO4，30g/LNH4Cl，0.1g/L十二烷基硫酸钠，溶剂为水。
6.根据权利要求3所述的铁镍合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中使用的镍板为纯镍板。
7.根据权利要求3所述的铁镍合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中采用双向脉冲给电进行镀镍。
8.根据权利要求3所述的铁镍合金-低碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中对镀镍低碳钢板进行扩散处理时，采用氩气进行保护。
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