CN108300960B - 一种不含金属粉末的表面扩渗剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属表面改性方法，具体涉及一种不含金属粉末的扩渗剂及该扩渗剂在粉末热扩渗表面改性中的应用。表面扩渗剂成分按重量百分比计，含有待渗元素的金属氧化物粉末70％～99％、催渗剂1％～30％。所述表面扩渗剂在粉末热扩渗表面改性中的应用。本发明采用了可以创造还原性气氛的催渗剂，能够从金属氧化物粉末中直接还原得到活性金属原子，避免了传统粉末热扩渗法对金属粉末的依赖，不必担心由金属粉末氧化带来的储运、存放等一系列问题，同时还能避免催渗剂与金属基体的直接接触，促进催渗剂的利用，防止接触侵蚀。

Description

一种不含金属粉末的表面扩渗剂及其应用

技术领域

本发明涉及金属表面改性方法，具体涉及一种不含金属粉末的扩渗剂及该扩渗剂在粉末热扩渗表面改性中的应用。

背景技术

为了改善金属的表面性能，研究人员提出了多种方法，表面扩渗法是其中之一。所谓表面扩渗法是指采用热扩渗的方式使扩渗剂中的活性金属原子逐步渗入金属基体表面，形成防护层。粉末扩渗法采用含有待扩渗元素的混合粉末作为热扩渗剂，具有设备要求低、简便易行、成本低廉等优势。

一般情况下，为避免混合粉末和金属基体氧化，粉末热扩渗通常是在真空或者惰性气氛下进行。然而，真空和惰性气氛的引入势必对整个系统的气密性提出了更高的要求，同时也使得设备要求和成本相应增加。为了在大气气氛下采用粉末热扩渗法制备金属表面扩渗层，可以在混合粉末中添加催渗剂，促进大气气氛下金属表面扩渗层形成。

粉末热扩渗法通常都要在混和粉末中加入纯金属粉末作为渗剂，而纯金属粉末也被认为是活性金属原子的主要来源。与此同时，有时还会加入金属氧化物粉末以防止纯金属粉末的粘结。粉末热扩渗法一直很难摆脱对纯金属粉末的依赖，然而纯金属粉末在大气气氛下会缓慢氧化，其存放也更为严格。纯金属粉末与空气的混合物还可能遇火发生爆炸，因而使得粉末热扩渗操作的安全性存在隐忧。如何摆脱粉末热扩渗法对于纯金属粉末的依赖，成为改进粉末热扩渗法的关键点之一。

发明内容

为解决金属表面粉末热扩渗对纯金属粉末和保护性气氛的依赖的技术问题，本发明的目的在于提供一种不含金属粉末的表面扩渗剂及应用该扩渗剂在粉末热扩渗表面改性中的应用。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种不含金属粉末的表面扩渗剂，表面扩渗剂成分按重量百分比计，含有待渗元素的金属氧化物粉末50％～99％、催渗剂1％～50％。

优选，表面扩渗剂成分按重量百分比计：含有待渗元素的金属氧化物粉末70％～99％、催渗剂1％～30％。

上述金属氧化物粉末的加入不仅起到传统意义上的填充和抑制粘结的作用，它更是活性金属原子的直接来源。由于催渗剂在加热过程中可分解出还原性气体，催渗剂的加入能够在扩渗过程中创造一定还原性气氛，从而抑制氧化，促进金属氧化物的还原，有利于扩渗过程的进行，同时将催渗剂与金属基体采用金属氧化物粉末间隔分离，避免催渗剂粉末与金属基体直接接触。

所述，含有待渗元素的金属氧化物粉末中待渗元素可为铝、锌、铬、镍、钛、铜、钼；采用本发明含有待渗元素的金属氧化物粉末辅以少量催渗剂，替换传统热扩渗剂中的纯金属粉末，达到等效扩渗效果。

所述表面扩渗剂中催渗剂为卤族元素的单质和/或含卤族元素的化合物。

所述卤族元素的单质为氟、氯、溴或碘；含卤族元素化合物为氟化铵、氯化铵、溴化铵、碘化铵、氟化钠、氯化钠、溴化钠、碘化钠、氟化铝、氯化铝、溴化铝、碘化铝、氟化锌、氯化锌、溴化锌、碘化锌、氟化铬、氯化铬、溴化铬、碘化铬、氟化镍、氯化镍、溴化镍、碘化镍、氟化钛、氯化钛、溴化钛、碘化钛、氟化铜、氯化铜、溴化铜、碘化铜、氟化钼、氯化钼、溴化钼或碘化钼。

一种不含金属粉末的表面扩渗剂的应用，所述表面扩渗剂在粉末热扩渗表面改性中的应用。

一种粉末热扩渗表面改性方法：

1)将基体材料填埋于过量所述表面扩渗剂中，得到覆盖有扩渗剂层的金属材料；

2)然后将所述覆盖有扩渗剂层的金属材料置于热处理炉中，在大气气氛下，于100℃～1500℃加热保温0.1h～120h，得到热扩渗处理后的金属材料；

3)再清洗所述热扩渗处理后的金属材料，去除所述热扩渗处理后的金属材料表面的疏松氧化物，得到具有扩渗层的金属材料半成品；

4)最后再将所述具有扩渗层的金属材料半成品重复0～10次步骤1)-3)，得到具有扩渗层的金属材料。

其中，上述重复次数根据扩散后涂层的完整性以及厚度的情况，确定重复扩渗次数，以使涂层继续生长，直至达到较好状态；若在首次扩渗后，涂层完整、厚度较好的情况下，可以一次扩渗完成，不再重复扩渗。

在步骤1)中，所述基体材料填埋为采用金属氧化物粉末将待渗金属基体与催渗剂分隔。

本发明的粉末热扩渗表面防护方法具有如下优点：

1.本发明表面扩渗剂中所采用的粉末热扩渗剂中不含纯金属粉末，使用金属氧化物粉末作为活性金属原子的来源，金属氧化物化学性质稳定，无需担心扩渗剂的自然氧化问题，也无需顾虑采用纯金属粉末时可能发生的爆炸事故；同时本发明表面扩渗剂中利用金属氧化物与催渗剂在扩渗温度下发生化学反应生成金属卤化物，金属卤化物可在一定温度下转变为气态，为金属基体源源不断地提供活性金属原子；同时氯化氢等含卤族元素化合物还可与金属基体表面氧化物反应，使原本致密的氧化层崩解为疏松多孔的氧化层，便于金属卤化物渗透通过。这样，金属氧化物和催渗剂一方面可以反应创造活性金属原子，另一方面可以消除致密氧化层创造扩渗路径，活性金属原子持续渗入金属基体，最终形成防护层。

2.催渗剂有利于粉末热扩渗过程的进行，并可促进金属表面粉末热扩渗层的形成。同时为实现更好的改性过程采用金属氧化物将金属基体与催渗剂分离，这一方面能够避免金属基体与催渗剂粉末直接接触，防止催渗剂对金属基体的接触侵蚀，另一方面还可以避免传统粉末热扩渗过程中将不同粉末混合在一起的混粉过程，简化工艺流程，最终实现等效扩渗效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的热扩渗表面改性体系示意图。

图2是本发明实施例提供的镁合金表面粉末热扩渗铝涂层扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步说明本发明的优选实施方式。

除非特别指明，以下实施例中所用的试剂均可从正规渠道商购获得。

本发明采用了可以创造还原性气氛的催渗剂，能够从金属氧化物粉末中获取活性金属原子，避免了传统粉末热扩渗法对金属粉末的依赖，不必担心金属粉末氧化带来的储运、存放等一系列问题，同时还能避免催渗剂与金属基体的直接接触，促进催渗剂的利用，防止接触侵蚀。

实施例1

以向镁合金基体表面渗铝为例，其表面扩渗剂具体为：

表面扩渗剂成分按重量百分比计，氧化铝粉90％和氯化铵粉10％。

热扩渗表面改性方法：

一、按照上述记载配置表面扩渗剂，待用。

二、对镁合金材料进行表面处理，首先，通过机械切割磨削的方式获取新的表面，再经超声清洗去除表面油污，晾干、晒干或吹干，期间需防止镁合金材料表面氧化；

三、将镁合金材料填埋于步骤一制备的扩渗剂中，氯化铵粉置于底部，然后上铺部分氧化铝粉，再放入待扩渗试样，上铺剩余氧化铝粉，组成扩渗体系(参见图1)，待扩渗面应被氧化铝粉完全覆盖，且其表层氧化铝厚度为10mm；

四、将步骤三中的扩渗体系置于容器中，放入普通热处理炉，在大气气氛下加热保温，加热保温温度为430℃，加热保温时间为1.5h，取出空冷至室温；

五、对镁合金材料进行表面处理，将其置于无水乙醇中超声清洗，去除表面疏松氧化物，吹风机吹干。粉末热扩渗过程后获得的具有扩渗层的镁合金材料截面形貌见图2。

由图2可见，在430℃下，加热保温时间为1.5h，采用不含铝粉的混合粉末渗剂，依然能够在镁合金材料表面部分位置得到厚度逾100μm的铝扩渗层，铝扩渗层主要由Mg₁₇Al₁₂和铝在镁中的固溶体构成。

实施例2

本实施例的制备方法与实施例1相同，不同的是：步骤一中将以下重量百分比的氧化铝粉70.0％、氯化铵粉30.0％配制成扩渗剂，步骤四中扩渗温度为400℃，加热保温时间为2h。

实施例3

本实施例的制备方法与实施例1相同，不同的是：步骤一中将以下重量百分比的氧化铝粉99.0％、氯化铵粉1.0％配制成扩渗剂，步骤四中扩渗温度为430℃，加热保温时间为1h，试样保温结束后取出空冷，去除试样表面氧化物，更换新扩渗剂(氧化铝粉99.0％、氯化铵粉1.0％)后，再将扩渗体系置于扩渗炉中于430℃加热保温1h重复扩渗两次。重复扩渗使得新渗剂向已经形成的铝扩渗层继续渗入活性铝原子，使扩渗层继续铺展生长，以提高扩渗层质量。此外，重复扩渗次数应限制在一定范围内，以防止镁合金基体过度氧化。

实施例4

本实施例的制备方法与实施例1相同，不同的是：步骤一中将以下重量百分比的氧化锌粉99.0％、氯化铵粉1.0％配制成扩渗剂，步骤四中扩渗温度为430℃，加热保温时间为1h，制备富锌金属涂层。

实施例5

本实施例的制备方法与实施例1相同，不同的是：步骤一中将以下重量百分比的氧化钴粉97.0％、氯化铵粉3.0％配制成扩渗剂，步骤二中以低碳钢为基体，步骤四中扩渗温度为900℃，加热保温时间为3h，在低碳钢表面制备富钴金属涂层。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种不含金属粉末的表面扩渗剂，其特征在于：表面扩渗剂成分按重量百分比计为待渗元素的金属氧化物粉末50%~99%、催渗剂1%~50%；

采用金属氧化物粉末将待渗金属基体与催渗剂分隔；

所述表面扩渗剂中催渗剂为卤族元素的单质和/或含卤族元素的化合物；

所述卤族元素的单质为氟、氯、溴或碘；含卤族元素化合物为氟化铵、氯化铵、溴化铵、碘化铵、氟化钠、氯化钠、溴化钠、碘化钠、氟化铝、氯化铝、溴化铝、碘化铝、氟化锌、氯化锌、溴化锌、碘化锌、氟化铬、氯化铬、溴化铬、碘化铬、氟化镍、氯化镍、溴化镍、碘化镍、氟化钛、氯化钛、溴化钛、碘化钛、氟化铜、氯化铜、溴化铜、碘化铜、氟化钼、氯化钼、溴化钼或碘化钼。

2.根据权利要求1所述的不含金属粉末的表面扩渗剂，其特征在于，所述表面扩渗剂成分按重量百分比计为待渗元素的金属氧化物粉末70%~99%、催渗剂1%~30%。

3.一种权利要求1所述的不含金属粉末的表面扩渗剂的应用，其特征在于，所述表面扩渗剂在粉末热扩渗表面改性中的应用。

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