CN108486520B - 一种具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法：步骤一，将原料钢材经碱洗除油、去离子水冲洗、酸洗除锈、去离子水冲洗后烘干；步骤二，将步骤一中的原料钢材浸入高温盐液中处理10‑30分钟；步骤三，利用坩埚熔炼原料铝至形成铝液；步骤四，向步骤三中的铝液中依次添加铜、钼、铬、锌和稀土元素；步骤五，将步骤二中的原料钢材取出后，浸入步骤四中的铝液中，浸入铝液之前添加助渗剂，浸渗处理1‑2分钟，取出原料钢材，自然冷却。本发明渗铝钢的制备过程中，钢件前处理过程简单易行，而且处理效果好，钢件表面光泽度高、渗铝层致密且硬度和强度均非常好。

Description

一种具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法

技术领域

本发明属于金属制造领域，具体涉及一种具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法。

背景技术

钢铁因其高强度、高韧性、容易加工、成本低而成为工业中用量最大的一类金属材料，但其最大的缺点就是易锈蚀和磨损，往往因此造成巨大的经济损失。因为腐蚀与磨损都始于钢材表面，所以采用表面工程技术实施于材料表面改性已成为材料科学最活跃的前沿领域之一。

渗铝钢是将表面净化的工件浸于熔融铝或铝合金中并保持一定时间，发生铝液对钢表面浸润、铁的溶解以及铁原子与铝原子的相互扩散和反应，具体做法是将钢制件浸没于熔融铝浴中完成的，方法简单，易于连续作业，从而形成Fe-Al金属间化合物中间层，当工件从铝液中提出时在此合金层的表面粘附一层铝液或铝合金液，在其冷却凝固后便形成包括Fe-Al合金层和表面纯铝层或铝合金层的镀层，为了保证基体和铝层之间的结合力，往往还需进行热处理。现有技术中的渗铝钢制备工艺存在以下技术问题：

1、现有工艺中热浸温度高、时间长，往往需要热浸超过5分钟，使得钢材原料的晶粒急剧长大，降低了钢材原料的机械强度和韧性。

2、热浸铝过程中，铁原子在铝液中的溶解速度加快，形成大量沉渣，污染铝液，影响渗铝质量，也降低了坩埚的使用寿命，导致生产成本增加。

3、钢件前处理要求十分严格，助渗液不稳定，批量生产中，渗铝钢质量难以控制，表面易于出现漏渗、虚渗、针孔与剥离现象。

4、钢材原料若表面光洁度低，则表面会易于沾附氧化渣，影响使用。

5、钢材渗铝处理后，渗铝层孔隙率高、硬度低、强度低。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种表面光洁度高、不影响钢材基体机械强度和韧性、渗铝层致密硬度高的渗铝钢的制备方法。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供的具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，将原料钢材经碱洗除油、去离子水冲洗、酸洗除锈、去离子水冲洗后烘干；

步骤二，将硝酸钙、硝酸钡、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾以质量比（0.2-0.4）：（0.2-0.3）：（1.2-1.5）：1：（0.1-0.2）进行混合制成混合盐置于盐浴炉中，预热至120-200℃后，通过金属电极将低压大电流交流电引入盐浴炉内，使混合盐形成盐液，将步骤一中的原料钢材浸入上述盐液中处理10-30分钟；

步骤三，利用坩埚熔炼原料铝至形成铝液；

步骤四，向步骤三中的铝液中依次添加铜、钼、铬、锌和稀土元素，升温至680-700℃，待前一种原料熔化完全后再加入后一种原料，两种原料添加之间间隔10-15分钟，维持温度搅拌均匀；

上述添加的金属原料以铜-锌合金、钼-铬合金、铜-稀土合金的形态进行添加；

步骤五，将步骤二中的原料钢材取出后，浸入步骤四中的铝液中，浸入铝液之前添加助渗剂，浸渗处理1-2分钟，取出原料钢材，自然冷却。

在本发明中，首先将待处理的原料钢材表面进行除油、除锈，使钢材表面呈现较为整洁干净平滑的状态。由于热浸过程中，时间太长、温度太高对钢材影响不良，铁原子在铝液中溶解速度会加快，从而形成大量沉渣，不仅影响渗铝的质量和钢材的质量，而且还会损害熔炼用坩埚，导致生产成本飞升。在本发明中，首先利用混合盐浴的方式处理原料钢材，需要注意的是，本发明中利用的是低压大电流（交流电）加热的方式使混合盐浴自行升温，一方面操作更加便利，无需使用外部热源，另一方面高频电流具有一定的集肤效应，能够对进入其中的钢材表面进行一定程度的净化，提升其表面光泽度。

铝液中添加铜和锌元素可有效改善铝液成分，使渗铝过程更顺利，在钢材表面形成的是铝合金层，提升了渗铝层的保护效果，与之相适配的添加钼和铬则能够与铝、铜、锌形成致密的合金，提升表面致密程度、硬度和强度。添加稀土元素一方面改善渗铝层的合金组成，提升其强度，另一方面稀土元素能够与渗铝过程中产生的游离Fe原子形成浮渣，而不会附着于处理过程中的钢材表面。金属辅助元素的添加工艺中，优选以铜-锌合金、钼-铬合金、铜-稀土合金的形态进行添加，有利于在短时间的渗铝过程中，表面能够迅速形成所需致密合金层。

进一步地，步骤二中，所述金属电极为不锈钢电极或者铂电极。

进一步地，步骤二中，所述低压大电流的电压为5-12V，交流电频率为500-5000Hz。电流频率可根据加热设定的时间进行适应性的设定。

进一步地，步骤二中，所述盐液温度为400-500℃。混合盐硝酸钙、硝酸钡、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾中，硝酸盐的添加通电后还具有微爆炸的效果，能够在短时间内迅速提升混合盐的温度，硝酸钙和亚硝酸钠配伍添加可有效降低混合盐形成盐液的温度。

进一步地，步骤三中，所述坩埚为石墨坩埚或者氧化锆坩埚。

进一步地，步骤四中，铜的添加量为铝液质量的2-3%，钼的添加量为铝液质量的1-1.4%，铬的添加量为铝液质量的0.5-0.6%，锌的添加量为铝液质量的0.25-0.3%，稀土元素的添加量为铝液质量的0.005-0.1%。

进一步地，步骤四中，所述稀土元素为Ce、La、Nd、Er、Gd、Y中的一种或者多种的组合。

进一步地，步骤五中，所述助渗剂为纳米石墨粉，所述助渗剂的添加量为铝液质量的0.005-0.01%。

助渗剂的添加能够使渗铝层更加平滑均匀。

本发明具有以下优点：

1、本发明中的铝液热浸时间短，处理的钢材原料晶粒大小几乎不受影响，渗滤工艺后钢材原料的机械强度和韧性同样也不受影响。

2、本发明渗铝钢的制备过程中，少量溶解的铁原子会形成浮渣而不是沉渣，利用过滤或者覆盖剂即可去除，不影响铝液、对坩埚也无影响。

3、本发明渗铝钢的制备过程中，钢件前处理过程简单易行，而且处理效果好，钢件表面光泽度高、渗铝层致密且硬度和强度均非常好。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1

本实施例中一种具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法步骤如下：

步骤一，将45号钢的原料钢材经碱洗除油、去离子水冲洗、酸洗除锈、去离子水冲洗后烘干；碱洗液为10wt%氢氧化钠+3wt%碳酸氢钠水溶液，酸洗液为2wt%硫酸水溶液。

步骤二，将硝酸钙、硝酸钡、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾以质量比0.2：0.2：0.5：1：0.1进行混合制成混合盐置于盐浴炉中，预热至120℃后，通过不锈钢电极将低压大电流交流电引入盐浴炉内，低压大电流的电压为12V，交流电频率为1000Hz，使混合盐形成盐液，盐液温度为420℃，将步骤一中的原料钢材浸入上述盐液中处理30分钟。

步骤三，利用氧化锆坩埚熔炼原料铝至形成铝液；

步骤四，向步骤三中的铝液中依次添加铜、钼、铬、锌和稀土元素，升温至700℃，上述添加的金属原料以铜-锌合金、钼-铬合金、铜-稀土合金的形态进行添加，待前一种原料熔化完全后再加入后一种原料，两种原料添加之间间隔15分钟，维持温度搅拌均匀。其中，铜的添加量为铝液质量的2%，钼的添加量为铝液质量的1.3%，铬的添加量为铝液质量的0.54%，锌的添加量为铝液质量的0.25%，稀土元素的添加量为铝液质量的0.007%。稀土元素为Ce。

步骤五，将步骤二中的原料钢材取出后，浸入步骤四中的铝液中，浸入铝液之前添加助渗剂纳米石墨粉，该纳米石墨粉为市售商品，平均粒径为20nm，浸渗处理2分钟，取出原料钢材，自然冷却。

实施例2

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤二中，硝酸钙、硝酸钡、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾质量比为0.4:0.3:1.24:1:0.14。

实施例3

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤二中，硝酸钙、硝酸钡、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾质量比为0.3:0.3:1.3:1:0.18。

实施例4

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤二中，低压大电流的电压为10V，交流电频率为3000Hz，使混合盐形成盐液，盐液温度为450℃。

实施例5

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤二中，低压大电流的电压为6V，交流电频率为5000Hz，使混合盐形成盐液，盐液温度为400℃。

实施例6

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤二中，低压大电流的电压为10V，交流电频率为800Hz，使混合盐形成盐液，盐液温度为450℃

实施例7

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤四中，铜的添加量为铝液质量的2.7%，钼的添加量为铝液质量的1.2%，铬的添加量为铝液质量的0.54%，锌的添加量为铝液质量的0.25%，稀土元素的添加量为铝液质量的0.06%。

实施例8

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤四中，铜的添加量为铝液质量的2.5%，钼的添加量为铝液质量的1.1%，铬的添加量为铝液质量的0.55%，锌的添加量为铝液质量的0.28%，稀土元素的添加量为铝液质量的0.08%。

实施例9

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤四中，稀土元素为La与Nd质量比为1:1的混合物。

实施例10

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤四中，稀土元素为Er。

实施例11

本实施例中渗铝钢的制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：步骤四中，稀土元素为Y

通过本发明实施例制备出的渗铝钢机械强度和韧性不受影响，且表面渗铝层致密度比普通渗铝层提升50%以上（表面孔隙率提升50%以上），且表面渗铝层的硬度能够达到400（维氏硬度HV3测量）。从制备方法可以看出，本发明中的铝液热浸时间短，处理的钢材原料晶粒大小几乎不受影响，渗滤工艺后钢材原料的机械强度和韧性同样也不受影响。本发明渗铝钢的制备过程中，少量溶解的铁原子会形成浮渣而不是沉渣，利用过滤或者覆盖剂即可去除，不影响铝液、对坩埚也无影响。本发明渗铝钢的制备过程中，钢件前处理过程简单易行，而且处理效果好，钢件表面光泽度高。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，将原料钢材经碱洗除油、去离子水冲洗、酸洗除锈、去离子水冲洗后烘干；

步骤二，将硝酸钙、硝酸钡、硝酸钠、亚硝酸钠、硝酸钾以质量比（0.2-0.4）：（0.2-0.3）：（1.2-1.5）：1：（0.1-0.2）进行混合制成混合盐置于盐浴炉中，预热至120-200℃后，通过金属电极将低压大电流交流电引入盐浴炉内，使混合盐形成盐液，将步骤一中的原料钢材浸入上述盐液中处理10-30分钟；

步骤三，利用坩埚熔炼原料铝至形成铝液；

步骤四，向步骤三中的铝液中依次添加铜、钼、铬、锌和稀土元素，升温至680-700℃，待前一种原料熔化完全后再加入后一种原料，两种原料添加之间间隔10-15分钟，维持温度搅拌均匀；

上述添加的金属原料以铜-锌合金、钼-铬合金、铜-稀土合金的形态进行添加；

步骤五，将步骤二中的原料钢材取出后，浸入步骤四中的铝液中，浸入铝液之前添加助渗剂，浸渗处理1-2分钟，取出原料钢材，自然冷却。

2.如权利要求1所述具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述金属电极为不锈钢电极或者铂电极。

3.如权利要求1所述具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述低压大电流的电压为5-12V，交流电频率为500-5000Hz。

4.如权利要求1所述具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述盐液温度为400-500℃。

5.如权利要求1所述具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述坩埚为石墨坩埚或者氧化锆坩埚。

6.如权利要求1所述具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于：步骤四中，铜的添加量为铝液质量的2-3%，钼的添加量为铝液质量的1-1.4%，铬的添加量为铝液质量的0.5-0.6%，锌的添加量为铝液质量的0.25-0.3%，稀土元素的添加量为铝液质量的0.005-0.1%。

7.如权利要求1所述具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于：步骤四中，所述稀土元素为Ce、La、Nd、Er、Gd、Y中的一种或者多种的组合。

8.如权利要求1所述具有高致密度渗铝层渗铝钢的制备方法，其特征在于：步骤五中，所述助渗剂为纳米石墨粉，所述助渗剂的添加量为铝液质量的0.005-0.01%。