CN107164720B - 一种含铜渗锌剂及其用于金属材料渗锌的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含铜渗锌剂及其用于金属材料渗锌的方法，含铜渗锌剂由锌粉、硝酸镧、氯化铵、铜粉及三氧化二铝组成。金属材料渗锌的方法是：将金属基体进行除油、除锈处理后，与含铜渗锌剂置于密封环境中进行退火处理，冷却；该含铜渗锌剂能提高锌活性、增加渗锌速率，降低金属材料自腐蚀电位和腐蚀电流密度，提高金属材料耐腐蚀性和硬度。
Description
技术领域
本发明涉及一种含铜渗锌剂，特别涉及一种含稀土镧的铜锌渗锌剂，及金属 材料渗锌的方法。
背景技术
金属材料因其优良的性能和简单的制备工艺使其成为目前使用范围和使用 量最广泛的材料，其中以钢铁材料的使用最为广泛，大至尖端前沿科技，小到日 常生活。
腐蚀是当前导致钢铁材料失效最重要的原因之一；腐蚀会直接破坏和改变钢 铁材料的微观组织，使钢铁材料的外观改变、硬度和塑性等宏观力学性能降低。 另外，部分由于腐蚀而造成的材料失效并不能直接从材料表面看出来，这给人们 的生活和生产安全埋下了隐患。因此，防止材料的腐蚀是当前材料工作者最重要 的奋斗目标之一。
表面改性是钢铁材料防腐最常见的一种手段，包括涂层、渗镀阳极金属等。 通过对钢铁材料的表面进行改性处理可以隔绝腐蚀剂与钢铁材料的接触或者栖 生表面阳极，从而有效的保护材料或明显减缓材料的受腐蚀速率，提高材料的有 效使用寿命，达到节约资源的目的。
粉末渗锌指的是通过固态扩散的方式，使锌原子渗入基体金属表面而形成合 金层的方法，属于化学热处理的范畴。渗锌层具有渗层均匀、致密、耐磨、良好 的耐蚀性和耐高温氧化性等特点，在中小零部件或存在配合的零部件的腐蚀防护 应用中，有着十分明显的优势。
粉末渗锌是钢铁材料常用的一种表面处理方式，广泛应用于海洋紧固件防腐、 石油化工行业等。在紧固件应用方面，渗锌层与基体结合强度高，耐磨性好。北 京科技大学与中国石油天然气集团公司合作将渗锌技术应用于炼油及石油天然 气开采设备,成功研究开发出换热器整体渗锌技术,其特点是渗锌处理温度低也 可以防止换热器变形并提高生产效率。
当前，研究了多元合金渗锌的方法，将金属件与渗剂一起放入真空渗锌罐内 抽真空，能够提高样品的表面硬度和耐磨性，但是需要抽真空，过程较为复杂， 成本较高。有的也研究了在渗剂中加入稀土元素，促进渗层的形成，该方法能够 提高渗锌的效率，改善渗锌层的表面质量，使得渗层更加均匀、致密，但存在着 厚度较薄，表面致密性差耐腐蚀性能差等不足。如文献(“稀土镧不同化合物对 渗锌层耐腐蚀性能的影响”，表面技术，东晓林等，第45卷第4期，193～197页， 2016年04月)公开了在渗锌剂中添加稀土元素镧，能够提高渗锌效率，改善渗 锌层表面的质量，使得渗层更加均匀，但是其渗层厚度增加不明显，渗层表面会 出现不同程度的微裂纹及大小不一的孔隙，对耐腐蚀性能造成影响。
发明内容
针对现有技术中的渗锌剂存在的缺陷，本发明的目的是在于提供一种能提高 渗锌速率、增加渗锌速率，降低金属材料自腐蚀电位和腐蚀电流密度，提高金属 材料耐腐蚀性的含铜渗锌剂。
本发明的另一个目的是在于提供一种操作过程简单、条件温和、低成本的金 属渗锌的方法，该方法采用所述含铜渗锌剂处理的金属材料，表面致密度和耐腐 蚀性能得到明显提高。
本发明公开了一种含铜渗锌剂，其由以下质量百分比组分组成：锌粉50～90％；硝酸镧0.5～5％；氯化铵0.5～2％；铜粉0.1～3％；以总质量为100％计量，余量为 三氧化二铝。
优选的方案，所述锌粉纯度在99％以上，粒度为-100目。
优选的方案，所述铜粉纯度在99.9％以上，粒度为-200目。
优选的含铜渗锌剂由以下质量百分比组分组成：锌粉70～80％；硝酸镧1～3％；氯化铵1～2％；铜粉1～2％；以总质量为100％计量，余量为三氧化二铝。
本发明还提供了一种所述的含铜渗锌剂用于金属材料渗锌的方法，该方法是 将金属基体进行除油、除锈处理后，与含铜渗锌剂置于密封环境中进行退火处理， 冷却。
优选的方案，退火温度为420～480℃，时间为3小时以上。退火温度优选为 440～460℃，时间优选为3～4小时。
本发明的稀土硝酸镧、氯化铵、三氧化二铝均为纯度在95％以上的分析纯。 硝酸镧为白色粒状晶体，熔点(℃):40沸点(℃):126，易溶于水，易溶于乙醇。
本发明提供了一种金属渗锌的方法，具体包括以下步骤：
1)金属基体尺寸为10*10*3mm；
2)对基体进行碱洗并水洗；
3)对金属基体进行酸洗除锈处理并水洗烘干；
4)将含铜渗锌剂和基体放入密封坩埚中，将坩埚置于管式电阻炉中退火， 退火温度为420～480℃，保温时间3小时及以上；
5)空冷后水洗即得样品。
本发明的金属基体可以是各种金属或金属合金材料。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
本发明的含铜渗锌剂在采用硝酸镧作为催渗剂的基础上，引入了少量的金属 铜，能够明显促进金属的渗锌过程。一方面，提高锌活性，增加锌的扩散速度。 另一方面，渗层厚度均匀，且增加了渗层厚度(厚度60～120微米)，渗层致密、 裂纹较少，外观呈灰色，提高金属材料表面硬度(渗层硬度为200～300HV)。第 三，金属材料的自腐蚀电位和腐蚀电流密度降低，耐腐蚀性得到明显提高。
本发明的金属渗锌过程操作简单，成本降低、条件温和，有利于推广应用。
附图说明
【图1】为实施例1样品的扫描电镜照片(×500)；
【图2】为实施例1和对比实施例1的样品在5％nacl溶液中的极化曲线图，a为 实施例1的样品，b为对比实施例1的样品；
【图3】为实施例1的样品的扫描电镜照片(×1000)；
【图4】为实施例2的样品的扫描电镜照片(×900)；
【图5】为对比实施例1的样品的扫描电镜照片(×500)；
【图6】为对比实施例2的样品的扫描电镜照片(×500)；
【图7】为对比实施例3的样品的扫描电镜照片(×1000)。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求的保护 范围。
实施例1
步骤1，按质量百分比分别称取200目的纯锌粉72％，氯化铵2％，硝酸镧 3％，三氧化二铝21.5％，纯铜粉1.5％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1中的材料混合均匀，利用卧式行星球磨机球磨1小时，即 得含铜渗锌剂。
步骤3，利用线切割取得尺寸为10*10*3mm的样品，用粒度为280#，400#， 600#的砂纸在预磨机上磨至光亮。
步骤4，将步骤3的样品进行前处理。即碱洗-水洗-酸洗-水洗-烘干备用。
步骤5，将步骤2所得含铜渗锌剂与试样一起装入密封坩埚，置于管式电阻 炉中，随炉升温至455℃并保温3小时，然后空冷至室温，即得表面均匀致密， 颜色呈暗灰色的样品。
样品的渗层厚度为70微米左右；
样品的渗层硬度283.13HV；
样品的表面图如图1所示，从图1中可以看出表面裂纹较少，缺陷少，致密；
样品的扫描电镜照片如图3所示，可以看出其表面裂纹较少；
样品在5％nacl溶液中的极化曲线图如图2所示，从图2(a)中可以看出， 其腐蚀速率为0.13421mm/a，其腐蚀速率较低。
实施例2
步骤1，按质量百分比分别称取200目的纯锌粉72％，氯化铵2％，硝酸镧 3％，三氧化二铝21％，纯铜粉2％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1中的材料混合均匀，利用卧式行星球磨机球磨1小时，即 得含铜渗锌剂。
步骤3，利用线切割取得尺寸为10*10*3mm的样品，用粒度为280#，400#， 600#的砂纸在预磨机上磨至光亮。
步骤4，将步骤3的样品进行前处理。即碱洗-水洗-酸洗-水洗-烘干备用。
步骤5，将步骤2所得含铜渗锌剂与试样一起装入密封坩埚，置于管式电阻 炉中，随炉升温至445℃并保温3小时，然后空冷至室温，即得表面均匀致密， 颜色呈暗灰色的样品。
样品的渗层厚度为65微米左右；
样品的渗层硬度213.63HV；
样品的扫描电镜照片如图4所示，可以看出其表面裂纹较少，从图4中可以 看出表面裂纹较少，缺陷少，致密。
对比实施例1
步骤1，按质量百分比分别称取200目的纯锌粉72％，氯化铵2％，硝酸镧 3％，三氧化二铝23％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1中的材料混合均匀，利用卧式行星球磨机球磨1小时，即 得渗锌剂。
步骤3，利用线切割取得尺寸为10*10*3mm的样品，用粒度为280#，400#， 600#的砂纸在预磨机上磨至光亮。
步骤4，将步骤3的样品进行前处理。即碱洗-水洗-酸洗-水洗-烘干备用。 步骤5，将步骤2所得渗锌剂与试样一起装入密封坩埚，置于管式电阻炉中，随 炉升温至450℃并保温3小时，然后空冷至室温，即得表面均匀致密，颜色呈暗 灰色的样品。
样品在5％nacl溶液中的极化曲线图如图2(b)所示，样品的腐蚀速率为0.21468mm/a，相对实施例1的样品腐蚀速率高，耐腐蚀性能差；
样品的渗层硬度160.33HV；
样品的渗层厚度为55微米左右；
样品的扫描电镜照片如图5所示，从图中可以看出对比实施例1的照片裂纹 较多，切贯穿整个渗层。
对比实施例2
步骤1，按质量百分比分别称取200目的纯锌粉80％，氯化铵2％，硝酸镧 2％，三氧化二铝8％，纯铜粉10％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1中的材料混合均匀，利用卧式行星球磨机球磨1小时，即 得含铜渗锌剂。
步骤3，利用线切割取得尺寸为10*10*3mm的样品，用粒度为280#，400#， 600#的砂纸在预磨机上磨至光亮。
步骤4，将步骤3的样品进行前处理。即碱洗-水洗-酸洗-水洗-烘干备用。
步骤5，将步骤2所得含铜渗锌剂与试样一起装入密封坩埚，置于管式电阻 炉中，随炉升温至550℃并保温3小时，然后空冷至室温，即得样品。
样品的扫描电镜照片如图6所示，该样品表面裂纹很多，表面也较为疏松， 且不光泽。
对比实施例3
步骤1，按质量百分比分别称取200目的纯锌粉80％，氯化铵2％，硝酸镧 2％，三氧化二铝16％，纯铜粉2％，以上组分质量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1中的材料混合均匀，利用卧式行星球磨机球磨1小时，即 得含铜渗锌剂。
步骤3，利用线切割取得尺寸为10*10*3mm的样品，用粒度为280#，400#， 600#的砂纸在预磨机上磨至光亮。
步骤4，将步骤3的样品进行前处理。即碱洗-水洗-酸洗-水洗-烘干备用。
步骤5，将步骤2所得含铜渗锌剂与试样一起装入密封坩埚，置于管式电阻 炉中，随炉升温至400℃并保温3小时，然后空冷至室温，即得样品。
样品的扫描电镜照片如图7所示，该样品表面裂纹很多，表面也较为疏松，且不光泽。
Claims (6)
1.一种含铜渗锌剂，其特征在于：由以下质量百分比组分组成：
锌粉50～90％；
硝酸镧0.5～5％；
氯化铵0.5～2％；
铜粉0.1～3％；
以总质量为100％计量，余量为三氧化二铝。
2.根据权利要求1所述的含铜渗锌剂，其特征在于：所述锌粉纯度在99％以上，粒度为-100目。
3.根据权利要求1所述的含铜渗锌剂，其特征在于：所述铜粉纯度在99.9％以上，粒度为-200目。
4.根据权利要求1～3任一项所述的含铜渗锌剂，其特征在于：由以下质量百分比组分组成：
锌粉70～80％；
硝酸镧1～3％；
氯化铵1～2％；
铜粉1～2％；
以总质量为100％计量，余量为三氧化二铝。
5.权利要求1～4任一项所述的含铜渗锌剂用于金属材料渗锌的方法，其特征在于：将金属基体进行除油、除锈处理后，与含铜渗锌剂置于密封环境中进行退火处理，冷却；退火温度为420～480℃，时间为3小时以上。
6.根据权利要求5所述的含铜渗锌剂用于金属材料渗锌的方法，其特征在于：退火温度为440～460℃，时间为3～4小时。
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