CN108277448B - 一种热浸共渗铝合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热浸共渗铝合金的方法，属于热浸共渗铝合金领域。该方法包括如下主要步骤，钢件表面除油除锈、表面助镀、热浸镀铝和惰性气体保护扩散共渗铝合金。本发明的热浸共渗铝合金的方法结合了热浸、渗铝扩散和惰性气体保护工艺，以及多元素协同抗蚀作用，提高了产品质量，能使镀层不易脱落，减少渗层孔洞，降低了扩散退火温度，能有效保护钢材原有的力学性能，降低能耗。

Description

一种热浸共渗铝合金的方法
技术领域
本发明属于热浸共渗铝合金领域，具体涉及一种热浸共渗铝合金的方法。
背景技术
钢铁具有良好的机械性能和低廉的价格，因此广泛应用于机械、交通、化工、石油、建筑等工业领域，但是，钢铁容易被腐蚀而造成巨大的经济损失。为了提高钢铁的耐蚀性，减少因腐蚀带来的经济损失，需要对其进行钢铁表面防腐蚀处理。热浸镀铝是应用较广泛的表面防腐蚀技术之一，是指将经过表面处理的钢材或制件浸入熔融的铝液中并保持一定时间，使铝渗入钢基体并覆盖钢铁表面，从而在钢铁表面获得热浸镀铝层的工艺方法。钢铁制件热浸镀铝后不仅具有良好的抗腐蚀能力，抗高温氧化性能，而且具有良好的机械强度和加工性能。但目前仍存在一定的缺点，比如热浸镀铝后镀层脆性比较大，与基体的结合力较弱容易脱落。由于助镀方法不易控制，容易带来漏镀等现象。并且，热浸镀过程中持续时间比较短，不利于活性铝原子的扩散从而镀层厚度较薄，使镀层抗氧化性和耐蚀性也会受到一定影响。
中国专利CN201410744735.5公开了一种45钢表层渗铝工艺，在原有热浸镀铝基础上进行高温扩散，从而使镀层增厚。专利CN200910114382.X公开了一种钢材复合热浸镀方法，首先钢材进行热浸镀锌，使钢材表面预镀一层很薄的锌，然后再将钢材浸入熔融铝或铝合金中。这两种方法都存在着不同程度的问题：专利45钢表层渗铝工艺中，高温扩散镀层容易产生内外氧化孔洞，甚至形成孔洞带及裂纹，这将给后续加工等带来相当大的困难，同时影响到渗铝层的耐蚀性。当助镀效果不好出现漏镀时，极易在后续扩散中使镀层厚度出现严重差异；专利钢材复合热浸镀方法中，镀层中合金层较薄，镀锌层与镀铝层结合差，易剥落。
针对上述工艺存在的问题，本发明提供的热浸共渗铝合金的方法可以增加合金层厚度，使镀层不易脱落，提高产品质量；扩散退火温度较低，减少了渗层孔洞，能有效保护钢材原有的力学性能，降低能耗；其他有益合金元素在渗层中共存，进一步提高了钢管的耐蚀性能。因而在热浸法渗铝基础上发展多元素热浸共渗具有积极的意义。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种热浸共渗铝合金的方法。本发明的热浸共渗铝合金的方法结合了热浸、渗铝扩散工艺，以及多元素协同抗蚀作用。发明中所使用的助镀剂能通过氟化物更好的溶解钢件表面氧化物，改善镀件漏镀现象，使镀件更加明亮；通过添加合金元素弥补了扩散过程中原子空位形成，能有效减少孔洞的形成，同时合金元素在渗层中共存，进一步提高钢管的耐蚀性能；通过降低扩散退火温度，降低原子扩散速率来抑制渗层中孔洞形成，更能有效保护钢材原有的力学性能，降低能耗。
为实现上述目的，提供了一种热浸共渗铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)钢件表面除油除锈：首先将钢件置于质量分数10％～20％NaOH水溶液中，在70～90℃条件下浸泡5～10min，水洗1～2min，再用质量分数15％～25％HCl，在室温下浸泡3～5min，水洗1～2min，然后采用丙酮浸泡1～3min，将浸泡后的钢件置于温度80～110℃的真空干燥箱中干燥10～20min；
(2)表面助镀：助镀剂成分：K2ZrF6：30g/L，AlF：8g/L，HF：6g/L，KCl：20g/L，KF：10g/L，其余为水，使用上述成分所配制的助镀剂对除油除锈后的钢材基体进行助镀处理，助镀后的钢材基体取出置于温度80～110℃的真空干燥箱中干燥10～30min；
(3)热浸镀铝：将预备的铝合金锭，在坩埚内加热到750～850℃熔化，然后对助镀后的钢件进行热浸镀铝，温度为690℃～800℃，时间为10～30s；铝合金锭中含有的合金元素为Cu或Si元素的一种或多种；
(4)惰性气体保护扩散共渗铝合金：将热浸镀铝后钢件置于扩散退火室中，采用氩气反复冲洗三次，充入氩气进行扩散共渗，扩散温度550～700℃，保温时间1～7天。
助镀处理温度为90℃，助镀处理时间为3～5min时效果最佳。
本发明有益效果如下：
(1)本发明先将钢件表面采用碱洗、酸洗，然后丙酮浸泡、干燥，除锈除油效果明显；使用的助镀剂能通过氟化物更好的溶解钢件表面氧化物，改善镀件漏镀现象，使镀件更加明亮；
(2)本发明在扩散共渗过程中采用惰性气体氩气保护、降低扩散温度，能有效避免渗层中内外氧化孔洞形成，保护钢材原有的力学性能，减少能量消耗；
(3)本发明热浸镀铝的铝合金中添加了Cu、Si合金元素，弥补了扩散过程中原子空位形成，能有效降低孔洞的形成，同时合金元素在渗层中共存，可进一步提高钢管的耐蚀性能；通过降低扩散退火温度，降低原子扩散速率来抑制渗层中孔洞形成，更能有效保护钢材原有的力学性能，降低能耗；
(4)本发明采用热浸共渗铝合金，避免了单一的渗铝保护层存在的风险，如添加合金元素Cu，由于扩散速率差异Cu元素能在渗层表面形成富集，并且Cu具有较好抗氢脆能力，从而提高了渗层的耐H2S腐蚀性，能够为用户生产出满足性能要求的高品质新型铝合金渗层产品；
(5)本发明采用热浸共渗铝合金的方法可以增加合金层厚度，使镀层不易脱落，提高产品质量；其它有益合金元素在渗层中共存，进一步提高了钢管的耐蚀性能，在热浸法渗铝基础上发展多元素热浸共渗具有积极的意义。
具体实施方式
实施例1
将1.5毫米厚X80钢材，首先在12％NaOH溶液，70℃下浸泡10min除油，水洗1min，15％HCl溶液，在室温下浸泡5min除锈，水洗1min，然后采用丙酮浸泡3min，最后在温度100℃真空干燥箱中干燥10min。然后将钢件放入助镀剂成分为：K2ZrF6：30g/L；AlF：8g/L；HF：6g/L；KCl：20g/L；KF：10g/L，所配制的水溶液进行助镀处理，助镀温度90℃，助镀时间：5min，取出后在100℃真空干燥箱中烘干10min。将经过助镀的钢材工件浸入按质量比Al-1％Cu合金熔池中浸镀，温度为690℃，时间为20秒。将热浸镀锌的钢材工件取出自然冷却至常温，同时取出钢片时要保证熔池表面的清洁，随后将钢件放入扩散退火室中采用氩气反复冲洗三次，并充入适量氩气进行扩散共渗，扩散温度550℃，保温时间7天。将热浸共渗铝合金钢材工件缓慢取出自然冷却至常温，即得到热浸共渗铝合金产品。
热浸共渗铝合金产品渗层表面平整，合金元素少量扩散到合金层中，大量富集在表面，同时合金层与基体结合良好，渗层中无明显孔洞，经检测抗腐蚀能力强，并具有较好耐磨特性。
实施例2
将1毫米厚X65钢材，首先在15％NaOH溶液，80℃下浸泡8min除油，水洗1min，20％HCl溶液，在室温下浸泡4min除锈，水洗1min，然后采用丙酮浸泡3min，最后在温度100℃真空干燥箱中干燥10min。然后将钢件放入助镀剂成分为：K2ZrF6：30g/L；AlF：8g/L；HF：6g/L；KCl：20g/L；KF：10g/L，所配制的水溶液进行助镀处理，助镀温度90℃，助镀时间：5min，取出后在100℃真空干燥箱中烘干10min。将经过助镀的钢材工件浸入按质量比Al-1％Cu合金熔池中浸镀，温度为690℃，时间为20秒。将热浸镀锌的钢材工件取出自然冷却至常温，同时取出钢片时要保证熔池表面的清洁，随后将钢件放入扩散退火室中采用氩气反复冲洗三次，并充入适量氩气进行扩散共渗，扩散温度650℃，保温时间3天。将热浸共渗铝合金钢材工件缓慢取出自然冷却至常温，即得到热浸共渗铝合金产品。
热浸共渗铝合金产品渗层表面平整，合金元素少量扩散到合金层中，大量富集在表面，同时合金层与基体结合良好，渗层中无明显孔洞，经检测抗腐蚀能力强，并具有较好耐磨特性。
实施例3
将1.5毫米厚45号钢材，首先在20％NaOH溶液，80℃下浸泡5min除油，水洗1min，25％HCl溶液，在室温下浸泡3min除锈，水洗1min，然后采用丙酮浸泡3min，最后在温度100℃真空干燥箱中干燥10min。然后将钢件放入助镀剂成分为：K2ZrF6：30g/L；AlF：8g/L；HF：6g/L；KCl：20g/L；KF：10g/L，所配制的水溶液进行助镀处理，助镀温度90℃，助镀时间：5min，取出后在100℃真空干燥箱中烘干10min。将经过助镀的钢材工件浸入按质量比Al-1％Cu合金熔池中浸镀，温度为690℃，时间为30秒。将热浸镀锌的钢材工件取出自然冷却至常温，同时取出钢片时要保证熔池表面的清洁，随后将钢件放入扩散退火室中采用氩气反复冲洗三次，并充入适量氩气进行扩散共渗，扩散温度700℃，保温时间1天。将热浸共渗铝合金钢材工件缓慢取出自然冷却至常温，即得到热浸共渗铝合金产品。
热浸共渗铝合金产品渗层表面平整，合金元素少量扩散到合金层中，大量富集在表面，同时合金层与基体结合良好，渗层中无明显孔洞，经检测抗腐蚀能力强，并具有较好耐磨特性。
对比实施例1
将1.5毫米厚X80钢材，首先在12％NaOH溶液，70℃下浸泡10min除油，水洗1min，15％HCl溶液，在室温下浸泡5min除锈，水洗1min，然后采用丙酮浸泡3min，最后在温度100℃真空干燥箱中干燥10min。然后将钢件放入助镀剂成分为：K2ZrF6：30g/L；AlF：8g/L；HF：6g/L；KCl：20g/L；KF：10g/L，所配制的水溶液进行助镀处理，助镀温度90℃，助镀时间：5min，取出后在100℃下烘干10min。将经过助镀的钢材工件浸入纯铝熔池中浸镀，温度为690℃，时间为20秒。将热浸镀锌的钢材工件取出自然冷却至常温，同时取出钢片时要保证熔池表面的清洁，随后将钢件放入扩散退火室中采用氩气反复冲洗三次，并充入适量氩气进行扩散共渗，扩散温度550℃，保温时间7天。将热浸共渗铝钢材工件缓慢取出自然冷却至常温，即得到热浸共渗铝产品，此时渗铝层中并未发生过多变化，呈现舌齿状嵌入基体，并且保留部分自由层，自由层与渗铝层出现严重裂纹。虽无明显孔洞，但渗层极易脱落。
对比实施例2
将1.5毫米厚X80钢材，首先在12％NaOH溶液，70℃下浸泡10min除油，水洗1min，15％HCl溶液，在室温下浸泡5min除锈，水洗1min，然后采用丙酮浸泡3min，最后在温度100℃真空干燥箱中干燥10min。然后将钢件放入助镀剂成分为：K2ZrF6：30g/L；AlF：8g/L；HF：6g/L；KCl：20g/L；KF：10g/L，所配制的水溶液进行助镀处理，助镀温度90℃，助镀时间：5min，取出后在100℃下烘干10min。将经过助镀的钢材工件浸入纯铝熔池中浸镀，温度为690℃，时间为20秒。将热浸镀锌的钢材工件取出自然冷却至常温，同时取出钢片时要保证熔池表面的清洁，随后将钢件放入扩散退火室中采用氩气反复冲洗三次，并充入适量氩气进行扩散共渗，扩散温度900℃，保温时间7天。此时渗层表面发生严重氧化，表面凹凸不平，渗层厚度严重不均匀。基体与合金层结合处出现孔洞带，甚至裂纹。抗腐蚀能力差，工件加工难度大。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分钟析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆由权利要求书所确定的保护范围。

Claims (5)

1.一种热浸共渗铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）钢件表面除油除锈：首先将钢件置于NaOH水溶液中，在70~90℃条件下浸泡，水洗，再用HCl，在室温下浸泡，水洗，然后采用丙酮浸泡1~3min，将浸泡后的钢件置于真空干燥箱中干燥；
（2）表面助镀：助镀剂的成分为：K2ZrF6：30g/L，AlF：8g/L，HF：6g/L，KCl：20g/L，KF：10g/L，其余为水，使用上述成分所配制的助镀剂对除油除锈后的钢材基体进行助镀处理，助镀后的钢材基体取出，置于温度80~110℃的真空干燥箱中干燥10~30min；
（3）热浸镀铝：将预备的铝合金锭在坩埚内加热到750~850℃熔化，然后将助镀后的钢件进行热浸镀铝；所述的铝合金锭中含有的合金元素为Cu或Si元素的一种或多种；
（4）惰性气体保护扩散共渗铝合金：将热浸镀铝后钢件置于扩散退火室中，用氩气反复冲洗三次，充入氩气进行扩散共渗，扩散温度550~700℃，保温时间1~7天。
2.如权利要求1所述的热浸共渗铝合金的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的氢氧化钠水溶液质量分数为10%~20%，浸泡时间为5~10min；所述的HCl质量分数为15%~25%，浸泡时间为3~5min。
3.如权利要求1所述的热浸共渗铝合金的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的真空干燥箱温度为80~110℃，干燥时间为10~20min。
4.如权利要求1所述的热浸共渗铝合金的方法，其特征在于：步骤（2）中所述的助镀处理温度为90℃，助镀处理时间为3~5min。
5.如权利要求1所述的热浸共渗铝合金的方法，其特征在于：步骤（3）中所述的热浸镀铝，温度为690℃~800℃，时间为10~30s。
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