CN107916394B - 一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺 - Google Patents

一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属防腐技术领域，具体涉及一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，所述共渗工艺，包括以下步骤：(1)钢材表面预处理；(2)将共渗剂在200～250℃下预热20～60min后与助渗剂混合，形成共渗混合物；接着将钢板与所述共渗混合物一起加入至共渗炉中；(3)将共渗炉抽真空，接着加热至600～900℃下保温5～7h，接着以5～10℃/min的速率冷却至200～300℃，保温20～60min，再冷却至室温，取出钢材，通过本发明的共渗工艺能够在钢材表面形成硬度高、耐腐蚀性能好的耐腐蚀合金共渗层，提高钢材的耐腐蚀能力。

Description

一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺
技术领域
本发明涉及金属防腐技术领域，具体涉及一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺。
背景技术
铁路轨道设备、螺栓、道钉、轨道扣件和接触网金具等安装在露天环境，风吹日晒雨淋，严寒、高温、雨水、风沙、严重空气污染、特别是酸雨地区工作条件恶劣，现有的防腐蚀工艺、方法不能满足产品的要求。尤其我国高速铁路快速发展的今天，对轨道设备防腐性能提出了更高的要求。钢筋混凝土结构的桥梁同样存在腐蚀问题。其原因主要有冰冻破坏、化学腐蚀、钢筋锈蚀和碱骨料反应等，特别是由于湿度、温度和CO2的作用,会引起混凝土的碳化，再加上腐蚀性介质的作用会导致钢筋锈蚀，进而破坏混凝土结构。针对铁道设备现有的防腐措施主要有涂油漆、涂装达克罗、氮化、热镀锌和单纯渗锌。这些方法中涂油漆的耐蚀效果差，涂层结合不好，易剥落；达克罗的耐蚀效果很好，但涂层薄而软，不耐磨，易剥落；氮化硬度高耐磨，结合好，但耐蚀性能不够；热镀锌可以获得厚镀层，但表面质量不高，易结瘤，尤其是螺纹件沟槽易被填平而不能使用。同时热镀锌污染严重，温度高能耗大，弹条等一些零件不宜使用；热渗纯锌层耐蚀达不到要求。现有技术中，也常通过增加耐腐蚀层的厚度提高零件的耐腐蚀性，但是这也使零件的尺寸发生变化，增加了零件间的配合使用难度。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，能够在钢材表面形成硬度高、耐腐蚀性能好的耐腐蚀合金共渗层，提高钢材的耐腐蚀能力。
为了实现上述目的，本发明提供一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，包括以下步骤：
(1)钢材表面预处理；
(2)将共渗剂在200～250℃下预热20～60min后与助渗剂混合，形成共渗混合物；接着将钢板与所述共渗混合物一起加入至共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空，接着加热至600～900℃下保温5～7h，接着以5～10℃/min的速率冷却至200～300℃，保温20～60min，再冷却至室温，取出钢材。
通过上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
1、通过本发明的共渗工艺能够在钢材表面形成合金共渗层，该合金共渗层的表面光滑、结构致密，能够减慢钢材的腐蚀速度，提高钢材的耐腐蚀性能。
2、通过多种金属元素间的相互作用，得到硬度大的合金共渗层，高硬度的合金共渗层不仅能够提高钢材的耐磨性能，而且能够在不增加合金共渗层厚度的条件下，提高钢材的耐腐蚀性，降低钢材因共渗层厚度导致的尺寸偏差，提高钢材尺寸的精准性。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供一种多元合金共渗剂，以锌粉100重量份为基准，所述多元合金共渗剂包括：锌粉100重量份、镍粉8～25重量份、稀土氧化物1～5重量份、硼酸盐1～3重量份、镁盐0.1～0.3重量份、钛盐0.2～0.9重量份、过氧化氢1～10重量份、分散剂0.3～3重量份、表面活化剂2～6重量份。
本发明的多元合金共渗剂能够在钢材表面形成合金共渗层，该合金共渗层具有表面光滑、结构致密的特点，能够减慢钢材的腐蚀速度，提高钢材的耐腐蚀性能；通过多种金属元素间的相互作用，得到硬度大的合金共渗层，高硬度的合金共渗层不仅能够提高钢材的耐磨性能，而且能够在不增加合金共渗层厚度的条件下，提高钢材的耐腐蚀性，降低钢材因共渗层厚度导致的尺寸偏差，提高钢材尺寸的精准性。通过合理的共渗剂配方在钢材表面利用热浸过程得到锌铝合金共渗层，且共渗层与钢材能够各自保持原有的性能。
根据本发明，为了进一步提高合金共渗层的硬度和致密度，优选条件下，以锌粉100重量份为基准，所述多元合金共渗剂包括：锌粉100重量份、镍粉12～22重量份、稀土氧化物1.6～3.8重量份、硼酸盐1.2～2.5重量份、镁盐0.12～1.22重量份、钛盐0.3～0.8重量份、过氧化氢2～8重量份、分散剂0.5～1.5重量份、表面活化剂2～6重量份。
根据本发明，优选条件下，所述锌粉的体积平均粒径为40～60微米。
根据本发明，优选条件下，所述镍粉的体积平均粒径为40～60微米。
根据本发明，优选条件下，所述锌粉和所述镍粉的重量比为1：(0.12～0.22)。
根据本发明，优选条件下，所述稀土氧化物选自氧化钪、氧化钇、氧化铈、氧化铌、氧化镨中的至少一种。
根据本发明，优选条件下，所述稀土氧化物的体积平均粒径为40～60微米。
根据本发明，优选条件下，硼酸盐为四硼酸钠和/或四硼酸钾。
根据本发明，优选条件下，所述钛盐选自硫酸钛和/或氯化钛。
根据本发明，优选条件下，所述镁盐选自氯化镁、硝酸镁、硫酸镁中的至少一种。
根据本发明，优选条件下，所述分散剂为二氧化硅。
根据本发明，本发明通过添加适量H2O2可以使金属表面的亚铁盐氧化成有利于形成锌铝合金共渗层的三价铁。
根据本发明，本发明中通过添加表面活性剂降低金属构件的表面张力，提高合金液润湿性，优选条件下，所述表面活性剂选自脂肪醇醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、全氟辛基磺酰季碘化物或脂肪酸二乙醇胺中的至少一种。
本发明还提供一种所述钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，包括以下步骤：
(1)钢材表面预处理；
(2)将共渗剂在200～250℃下预热20～60min后与助渗剂混合，形成共渗混合物；接着将钢板与所述共渗混合物一起加入至共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空，接着加热至600～900℃下保温5～7h，接着以5～10℃/min的速率。
根据本发明，优选条件下，在步骤(3)中，对共渗炉抽真空后，真空炉的压力为-0.2～-0.03MPa。
根据本发明，优选条件下，在步骤(3)中，采用两步法加热，首先加热至600～780℃，保温1～3h，然后升温至780～900℃，保温2～4h。
根据本发明，优选条件下，所述助渗剂为氯化铵和/或尿素，进一步优选的，所述助渗剂的重量占所述共渗剂的10～18％。
根据本发明，本发明对钢材的表面预处理工艺没有特殊的要求，可以为现有技术中常用的钢材预处理工艺，例如可以为：将钢材在1M的盐酸中超声清洗10～15min，然后用乙醇超声清洗15min，干燥得到钢材。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，D50为体积平均粒径。
实施例1
(1)将钢材在1M的盐酸中超声清洗10min，然后用乙醇超声清洗15min，干燥得到钢材；
(2)将锌粉100重量份(D50＝50微米)、镍粉18重量份(D50＝50微米)、氧化钪1.1重量份(D50＝50微米)、氧化钇1.2重量份(D50＝50微米)、四硼酸钠1.6重量份、氯化镁0.56重量份、硫酸钛0.5重量份、过氧化氢6重量份、二氧化硅1.1重量份(D50＝50微米)、脂肪酸二乙醇胺3重量份混合均匀，然后在230℃下预热30min，得到共渗剂，然后将共渗剂与18重量份氯化铵混合均匀，再将钢板、共渗剂和氯化铵加入共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空压力为-0.1MPa，然后加热至700℃，保温2h，再升温至850℃，保温3h，然后以5℃/min的速率冷却至300℃，保温60min，再冷却至室温，取出钢材。
实施例2
(1)将钢材在1M的盐酸中超声清洗15min，然后用乙醇超声清洗15min，干燥得到钢材；
(2)将100重量份锌粉(D50＝50微米)、12重量份镍粉(D50＝50微米)、0.6重量份氧化铈(D50＝50微米)、1重量份氧化铌(D50＝50微米)、1.2重量份四硼酸钠、1.22重量份氯化镁、0.3重量份硫酸钛、2重量份过氧化氢、0.5重量份二氧化硅(D50＝50微米)、2重量份脂肪酸二乙醇胺混合均匀，然后在200℃下预热60min，得到共渗剂，然后将共渗剂与14.5重量份氯化铵混合均匀，再将钢板、共渗剂和氯化铵加入共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空压力为-0.08MPa，然后加热至650℃，保温1h，再升温至780℃，保温4h，然后以5℃/min的速率冷却至250℃，保温40min，再冷却至室温，取出钢材。
实施例3
(1)将钢材在1M的盐酸中超声清洗15min，然后用乙醇超声清洗15min，干燥得到钢材；
(2)将100重量份锌粉(D50＝45微米)、22重量份镍粉(D50＝45微米)、2.3重量份氧化钪(D50＝45微米)、1.5重量份氧化镨(D50＝45微米)、2.5重量份四硼酸钠、0.12重量份硫酸镁、0.8重量份硫酸钛、8重量份过氧化氢、1.5重量份二氧化硅(D50＝45微米)、6重量份脂肪醇聚氧乙烯醚混合均匀，然后在250℃下预热20min，得到共渗剂，然后将共渗剂与22重量份氯化铵混合均匀，再将钢板、共渗剂和氯化铵加入共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空压力为-0.05MPa，然后加热至700℃，保温3h，再升温至900℃，保温2h，然后以10℃/min的速率冷却至200℃，保温20min，再冷却至室温，取出钢材。
实施例4
(1)将钢材在1M的盐酸中超声清洗15min，然后用乙醇超声清洗15min，干燥得到钢材；
(2)将100重量份锌粉(D50＝40微米)、25重量份镍粉(D50＝40微米)、1重量份氧化钇、1重量份四硼酸钠、0.1重量份硫酸镁、0.9重量份四氯化钛、1重量份过氧化氢、3重量份二氧化硅(D50＝40微米)、脂肪酸二乙醇胺2重量份混合均匀，然后在200～250℃下预热20～60min，得到共渗剂，然后将共渗剂与氯化铵混合均匀，再将钢板、共渗剂和24重量份氯化铵加入共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空压力为-0.03MPa，然后加热至600℃，保温3h，再升温至800℃，保温3h，然后以5℃/min的速率冷却至250℃，保温30min，再冷却至室温，取出钢材。
实施例5
(1)将钢材在1M的盐酸中超声清洗15min，然后用乙醇超声清洗15min，干燥得到钢材；
(2)将100重量份锌粉(D50＝60微米)、8重量份镍粉(D50＝60微米)、2重量份氧化钇、3重量份氧化镨(D50＝60微米)、3重量份四硼酸钠、0.3重量份氯化镁、0.2重量份四氯化钛、10重量份过氧化氢、0.3重量份二氧化硅(D50＝60微米)、6重量份脂肪醇聚氧乙烯醚混合均匀，然后在200～250℃下预热20～60min，得到共渗剂，然后将共渗剂与13.3重量份氯化铵混合均匀，再将钢板、共渗剂和氯化铵加入共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空压力为-0.2MPa，然后加热至850℃，保温5h，然后以5℃/min的速率冷却至300℃，保温60min，再冷却至室温，取出钢材。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是，共渗剂中不含有四硼酸钠。
对比例2
按照实施例1的方法，不同的是，不含有氯化镁。
对比例3
按照实施例1的方法，不同的是，不含有氧化钪和氧化钇。
对比例4
按照实施例1的方法，不同的是，不含有硫酸钛。
测试：
按照GB/T10125-2012的方法测试实施例1～5和对比例1～4中各钢材的耐腐蚀性能，按照GB231-84的方法测试实施例1～5和对比例1～4中各钢材的硬度，通过OU3500多元合金共渗防腐层测厚仪测量实施例1～5和对比例1～4中各钢材共渗层厚度；实验结果如表1所示。
表1：实施例1～5和对比例1～4中各钢材的性能
实施例编号 耐盐雾时间(h) 硬度(HV) 共渗层厚度(μm)
实施例1 1560 200 65
实施例2 1545 186 70
实施例3 1526 189 68
实施例4 1502 173 75
实施例5 1489 168 75
对比例1 1026 86 70
对比例2 987 78 65
对比例3 865 63 65
对比例4 788 81 68
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钢材表面预处理；
(2)将共渗剂在230～250℃下预热20～60min后与助渗剂混合，形成共渗混合物；接着将钢板与所述共渗混合物一起加入至共渗炉中；
(3)将共渗炉抽真空至压力为-0.2～-0.03MPa，接着加热至600～780℃，保温1～3h，接着升温至780～900℃，保温2～4h，接着以5～10℃/min的速率冷却至200～300℃，保温20～60min，再冷却至室温，取出钢材；
其中，以锌粉100重量份为基准，所述共渗剂包括以下重量份的物质：锌粉100重量份、镍粉8～25重量份、稀土氧化物1～5重量份、硼酸盐1～3重量份、镁盐0.1～0.3重量份、钛盐0.2～0.9重量份、过氧化氢1～10重量份、分散剂0.3～3重量份、表面活化剂2～6重量份；
其中，所述稀土氧化物选自氧化钪、氧化钇、氧化铈、氧化铌、氧化镨中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，其中，以锌粉100重量份为基准，所述共渗剂包括以下重量份的物质：锌粉100重量份、镍粉12～22重量份、稀土氧化物1.6～3.8重量份、硼酸盐1.2～2.5重量份、镁盐0.12～1.22重量份、钛盐0.3～0.8重量份、过氧化氢2～8重量份、分散剂0.5～1.5重量份、表面活化剂2～6重量份。
3.根据权利要求1所述的钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，其中，所述锌粉的体积平均粒径为40～60微米。
4.根据权利要求1或3所述的钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，其中，所述镍粉的体积平均粒径为40～60微米。
5.根据权利要求1所述的钢材表面多元合金共渗防腐层的共渗工艺，其中，所述稀土氧化物的体积平均粒径为40～60微米。
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