CN108179376A - 一种快速复合渗铝工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速复合渗铝工艺，包括除油，将钢件用生物除油；除锈，酸洗除锈；水洗；磁化；助渗；烘干；渗铝；抛光；封闭。通过选择合适的磁化液和助渗液，使该渗铝工艺不仅适用于碳素钢表面渗铝，而且适合镍基、钛镍等合金渗铝，渗铝表面致密，抗腐蚀性能较好。通过采用二次渗铝工艺，减少渗层中的气孔、裂纹等问题，从而得到更加致密、牢固、光滑的渗层表面。
Description
技术领域
本发明涉及金属表面处理与防护技术领域，特别是一种快速复合渗铝工艺。
背景技术
随着我国铁路、电力、交通、通讯等基础设施建设规模快速的发展，对钢铁材料的需求不断增加，因钢铁材料腐蚀导致后续运行维护费用十分惊人，大气环境(沿海盐雾及化工酸雨区)导致钢材腐蚀更加严重，由此可见钢铁的腐蚀造成了基础设施材料及能源的极大浪费，严重影响基础设施运行的使用寿命与安全可靠性，所以需一种表面改性技术通过钢铁材料表面的化学成分或组织结构，来增强钢铁表面性能，防止钢铁材料腐蚀、造成强度缺失、力学性能降低。
热浸镀铝是钢铁表面防护的有效措施之一，在不降低基体力学性能的基础上，其能显著提高钢铁在强腐蚀介质和氧化介质中的耐蚀性、耐热性以及材料的整体耐磨性。一般情况下，热浸镀铝层由铝层和合金层构成，纯铝层决定了镀铝钢材的耐候、耐蚀及对光(热)的反射等性能；合金层则决定了镀铝钢材的耐热性、耐高温氧化性、耐磨性及加工成型等性能。传统热镀铝钢热浸温度多在700℃区间内，难以形成稳定的晶态铁铝合金层，因此需要在高温环境条件下，进行热浸镀之后的扩散渗铝过程。由于长时间高温，零件容易变形，对机械性能影响很大，而且产品表面只有铁铝合金层，没有纯铝层，抗腐蚀性能下降。
本专利发明人前期参与的发明专利CN100429331C和CN103320745B已成功采用电流加热的快速热浸渗铝工艺，这两个专利技术较传统扩散渗铝工艺有诸多优点：渗铝过程短(2-4分钟)，消除渗层表明脆性区，提高抗热冲击性及热疲劳性提升10％以上，可保留渗铝件最外层的纯铝层等。但该工艺的仍存在缺点：由于上述助镀液不能去除镍基、钛镍等合金通过表面磁化过后残留在钢件表面的镍、氧化物且难以形成一层致密的保护膜，只适合碳素钢表面渗铝，不适镍基、钛镍等合金渗铝；渗铝表面不致密，存在一定的针孔现象；渗铝温度要求比较严格，渗铝温度区间较小；渗层表面单一，不能根据钢材适用环境，在铝中加入特定的元素，形成复合渗铝表面。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种快速复合渗铝工艺，不仅适用于碳素钢表面渗铝，而且适合镍基、钛镍等合金渗铝，渗铝表面致密，抗腐蚀性能较好。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种快速复合渗铝工艺，包括以下步骤：
一、除油：将钢件生物除油；
二、除锈：除油后的钢件，浸入含2％质量百分比为98％硫酸、15％质量百分比为36％盐酸、余量为水且装有电流发生装置音频共振的混合酸洗池内，经2～3min的快速酸洗除锈；
三、水洗；
四、磁化；
五、助渗；
六、烘干：助渗后的钢件在300℃温度下烘干2～3min。
七、渗铝：烘干后的钢件浸入中频感应加热方式加热至温度为680℃～740℃的铝液中进行热浸渗铝；
八：抛光；
九、封闭：将抛光后的钢件浸入封闭液内进行封闭处理。
优选的方案中，步骤一中先将钢件浸入蛋白胨20％、丁酸甘油酯酶30％、柠檬酸钠2％、三乙基己基磷酸3％、萄糖酸钠5％、维生素E 0.2％、芽孢杆菌50亿单位/L其余为水的生物脱脂剂中，浸泡15min～20min至表面干净无油，再进行除锈处理。
优选的方案中，步骤三中除锈完毕的钢件用高压水冲洗1～2次。
优选的方案中，步骤四中冲洗后的钢件浸入含质量百分比1.5％～2.0％K2Cr4O7、0.1～0.5％NaH2PO4、1.9％～2.3％NaNO2、25％～32％NaOH、余量为水且装有高频电流发生装置的磁化液内25～35S。
进一步的方案中，所述磁化液为质量百分比1.8％K2Cr4O7、0.2％NaH2PO4、2％NaNO2、30％NaOH、余量为水，电流频率20kHz、电流大小120～140A、电压65V，钢件浸泡时间为30s。
优选的方案中，步骤五中磁化后的钢件浸入含质量百分比为0.2～0.35％ZrF4、0.1％～0.12％K2Cr4O7、0.045％～0.055％ZrO2、0.045％～0.055％KMnO4、0.2～1％AlF3、余量为水的助渗液内，浸泡时间为2～3min。
进一步的方案中，所述助渗液为质量百分比为0.3％ZrF4、0.12％K2Cr4O7、0.05％ZrO2、0.05％KMnO4、0.4％AlF3、余量为水。
优选的方案中，步骤七中烘干后的钢件浸入使用中频感应加热方式、温度为680℃～740℃含0.5～2％锡、0.06％澜的铝液中，铝液中，热浸渗铝1～2min后，再浸入670～690℃含90％铝、3.0～6.2％硅、3.8～7％稀土复合溶液中20～50S。
优选的方案中，步骤八中采用螺旋风力抛光，风压为2～4MPa，工件抛光速度1.5～5m/s。
优选的方案中，步骤九中将抛光后的钢件浸入含质量百分比为15％HNO3、7.5％HF、10％H3PO4、5％H2SO4、4％苄叉丙酮、0.75％缓蚀剂、余量为水的封闭液内2～3min。
采用本发明工艺具有以下优点：
1、本发明的磁化和助渗配方，优点在于：一、由于K2Cr4O7超强的氧化性，可以去除经酸洗磁化后金属表面因氧化而产生的氧化皮，以防止钢件表面的二次氧化，提高渗层对机体材料的附着力，不仅适用碳素钢表面渗铝，同样适合镍基、钛镍等合金渗铝；二、提高助渗液与钢件表面的浸润性，大大降低熔融金属的表面张力，可形成光滑渗层表面；三、相比原有的助渗液要求在300℃以下烘干温度，K2Cr4O7形成致密的保护膜可将烘干温度提高至500℃左右，大大提高待渗钢件进入铝液中温度，可以降低因钢件因温差因素而降低渗铝产量，提高了生产效率；四、由于NaH2PO4可以电离出Na+、H+、PO4 2-离子，因此不仅可以进一步清除工件表面氧化物，还可以增加磁化液的导电性，使工件表面磁化更彻底。
2、运用中频电源产生的感应电流，将钢件在短时间内迅速达到奥氏体温度，且温度梯度是自钢件向铝液方向，即试样表层温度高于铝液温度，此时铝原子快速扩散到奥氏体区，形成以铁基为主体的柱状晶态合金层。同时，通过磁感应施加电场，当电子流过试件时，使空位原子具有的激活能增大，化学活性增大，原子易于跃动，从而易于原子扩散的进行，更易形成合金层。
3、采用生物脱脂，相对于化学脱脂和高温脱脂，生物脱脂技术更加的环保、节能、使用寿命长、脱脂效率高、且在脱脂过程中无需对脱脂液加热，可以在常温下进行脱脂反应，因此可以降低企业的生产成本。
4、铝液中加入合金元素，利用共晶熔点最低的特性配置易熔的铝合金复合溶液，来解决铝合金复合溶液的温度、流动性、共晶粒大小等问题，使其提高渗铝钢表面光洁度及表面性能；同时，合金锡、硅等元素的加入可以减薄铁铝合金层，提高钢材渗铝后的抗弯性能；铝液的流动性好，渗铝钢表面的纯铝层变薄也更加致密，防腐性能提高；稀土元素可以净化铝液，为优质铝液净化剂，可防止漏镀和虚镀。
5、渗铝过程采用二次渗铝，通过第一次渗铝后使钢件表面形成铁铝合金和纯铝渗层；再经过二次渗铝来消除渗层中的气孔、裂纹等问题，从而得到更加致密、牢固、光滑的渗层表面。
6、螺旋抛光使用压缩空气，通过控制气压，达到控制渗铝表面纯铝层厚度的方法，产品纯铝层厚度均匀，用铝量少，原材料成本降低，另外由于使用半自动化设备，使用人员少，对比吊镀工艺能节俭人员40％以上，大大降低人力成本，员工劳动强度也大大降低。
7、与铝合金表面封闭液相比，本发明充分考虑了工件表面渗铝层厚度，在不破坏渗铝渗铝情况下实现了以下二个效果:一是清除了渗铝表面灰黄覆盖盐、三氧化铝等物质，恢复了纯铝原有的光亮性，大大提高了渗铝钢表面的美观性；二是解决了铝合金表面生成的多孔膜层有很强的吸附能力，表面容易被污染，影响外观和使用性能。提高了渗铝层氧化膜的抗蚀性、耐磨性。
本发明制备的材料性能如下：
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明制作的渗铝钢产品的800倍下金相图。
图2为CN103320745B专利产品的800倍下金相图。
图3为本发明制作的渗铝钢产品的500倍下金相图。
图4为CN103320745B专利产品500倍下金相图。
图5为传统工艺渗铝产品的500倍下金相对比图。
具体实施方式
实施例1：一种快速复合渗铝工艺，包括以下步骤：
一、除油：将钢件用生物除油；将钢件浸入蛋白胨20％、丁酸甘油酯酶30％、柠檬酸钠2％、三乙基己基磷酸3％、萄糖酸钠5％、维生素E 0.2％、芽孢杆菌50亿单位/L其余为水的生物脱脂剂中，浸泡15min～20min至表面干净无油。
二、除锈：除油后的钢件，浸入含2％质量百分比为98％硫酸、15％质量百分比为36％盐酸、余量为水且装有电流发生装置音频共振的混合酸洗池内，经2～3min的快速酸洗除锈；
三、水洗；除锈完毕的钢件用高压水冲洗1～2次。
四、磁化；冲洗后的钢件浸入含质量百分比1.5％～2.0％K2Cr4O7、0.1～0.5％NaH2PO4、1.9％～2.3％NaNO2、25％～32％NaOH、余量为水的磁化液内25～35S，电流频率10～30kHz、电流大小120～140A、电压65～70V。
五、助渗；磁化后的钢件浸入含质量百分比为0.2～0.35％ZrF4、0.1％～0.12％K2Cr4O7、0.045％～0.055％ZrO2、0.045％～0.055％KMnO4、0.2～1％AlF3、余量为水的助渗液内，浸泡时间为2～3min。
六、烘干：助渗后的钢件在300℃温度下烘干2～3min；
七、渗铝：烘干后的钢件立即浸入中频感应加热方式加热至温度为680℃～740℃的铝液中进行热浸渗铝；渗铝的铝液中含0.5～2％锡以及0.06％澜，热浸渗铝时间为2min。
八：抛光；在本实施例中，采用螺旋风力抛光，风压为2～4MPa，工抛光速度1.5～5m/s。
九、封闭：将抛光后的钢件浸入含质量百分比为15％HNO3、7.5％HF、10％H3PO4、5％H2SO4、3～5％苄叉丙酮、0.75％缓蚀剂、余量为水的封闭液内2～3min进行封闭处理。
实施例2：
在实施例1的基础上，本实施例中所述磁化液具体的为质量百分比1.8％K2Cr4O7、0.2％NaH2PO4、2％NaNO2、30％NaOH、余量为水，电流频率20kHz、120～140A、电压65V，浸泡时间为30s。
所述助渗液为质量百分比具体为0.3％ZrF4、0.12％K2Cr4O7、0.05％ZrO2、0.05％KMnO4、0.4％AlF3、余量为水。
与实施例1不同的，本实施例的烘干温度为500℃。烘干温度的提高，使后续步骤的渗铝效率提高。
将烘干后的钢件浸入使用中频感应加热方式、温度为680～740℃含0.5～2％锡、0.06％澜的铝液中，热浸渗铝1～1.5min后，再浸入670～690℃含90％Al、3.0～6.2％Si、3.8～7％RE复合溶液中20～50S。
本实施例的渗铝产品的800倍下金相图如图1所示，从金相图中可以看与图2中CN103320745B专利产品相比，铝合金层更加均匀。
本发明的渗铝产品的500倍下金相图如图3所示，渗铝产品渗层致密、无裂纹、无间隙；如图4所示，专利CN103320745B工艺渗铝产品渗层有轻微裂纹、少量的间隙；如图5所示，传统渗铝工艺产品渗层有裂纹、间隙比较严重。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快速复合渗铝工艺，其特征是包括以下步骤：
一、除油：将钢件用生物除油；
二、除锈：除油后的钢件，浸入含2%质量百分比为98%硫酸、15%质量百分比为36%盐酸、余量为水且装有电流发生装置音频共振的混合酸洗池内，经2~3 min的快速酸洗除锈；
三、水洗；
四、磁化；
五、助渗；
六、烘干：助渗后的钢件在300~500℃高温烘干2~3min；
七、渗铝：烘干后的钢件浸入中频感应加热方式加热至温度为680℃~740℃的铝液中进行热浸渗铝；
八：抛光；
九、封闭：将抛光后的钢件浸入封闭液内进行封闭处理。
2.根据权利要求1所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：步骤一中先将钢
件浸入蛋白胨20%、丁酸甘油酯酶30%、柠檬酸钠2%、三乙基己基磷酸3%、萄糖酸钠5%、维生素E 0.2%、芽孢杆菌50亿单位/L其余为水的生物脱脂剂中，浸泡15 min~20 min至表面干净无油，再进行除锈处理。
3.根据权利要求1所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：步骤三中除锈完毕的钢件用高压水冲洗1~2次。
4.根据权利要求1所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：步骤四中冲洗后的钢件浸入含质量百分比1.5%~2.0% K2Cr4O7、0.1~0.5%NaH2PO4、1.9%~2.3% NaNO2、25%~32% NaOH、余量为水且装有高频电流发生装置的磁化液内25~35S。
5.根据权利要求4所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：所述磁化液为质量百分比1.8%K2Cr4O7、0.2%NaH2PO4、2%NaNO2、30%NaOH、余量为水，电流频率10~30kHz、电流大小120~140A、电压65~70V，钢件浸泡时间为30s。
6.根据权利要求1所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：步骤五中磁化后的钢件浸入含质量百分比为0.2~0.35%ZrF4、0.1%~0.12%K2Cr4O7、0.045%~0.055%ZrO2、0.045%~0.055%KMnO4、0.2~1%AlF3、余量为水的助渗液内，浸泡时间为2~3min。
7.根据权利要求6所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：所述助渗液为质量百分比为0.3%ZrF4、0.12% K2Cr4O7、0.05%ZrO2、0.05%KMnO4、0.4%AlF3、余量为水。
8.根据权利要求1所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：步骤七中烘干后的钢件浸入使用中频感应加热方式、温度为680~740℃含0.5~2%锡、0.06%澜的铝液中，热浸渗铝1~2min后，再浸入670~690℃含90%铝、3.0~6.2%硅、3.8~7%稀土复合溶液中20~50S。
9.根据权利要求1所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：步骤八中采用螺旋风力抛光，风压为2~4MPa，工抛光速度1.5~5m/s。
10.根据权利要求1所述的一种快速复合渗铝工艺，其特征是：步骤九中将抛光后的钢件浸入含质量百分比为15%HNO3、7.5%HF、10%H3PO4、5%H2SO4、3~5%苄叉丙酮、0.75%缓蚀剂、余量为水的封闭液内2~3min。
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