CN109628875A - 一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，对铁基材料进行喷丸处理；对清理好的铁基材料的表面附着锌箔材料；对附着有锌箔材料的铁基材料进行加热处理；对加热后的材料进行喷丸处理；将附着锌箔材料的材料再次进行喷丸处理，形成改性层。本发明能提高金属材料在大气、水、硫化氢及一些有机介质中的抗腐蚀能力，可以使制件表面获得比电镀锌和热镀锌高的硬度和耐磨性；处理温度较低从而可以保持铁基材料的力学性能，并且铁基材料的形变量很小；渗锌层与基体为冶金结合，很难发生剥落，而且渗锌层与铁的电位差，比锌与铁的电位差小，作为阳极性保护层，改性层具有更好的保护效果。

Description

一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，尤其是涉及一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法。
背景技术
在各种设施建设中金属构件被大范围的应用，金属在周围介质的影响之下会发生化学或者电化学反应，使金属材料受到损害，这就是金属腐蚀，腐蚀会影响金属构件的外观、降低其力学性能并且影响其使用寿命。尤其是在海洋开发、矿山采矿、交通建设及基础设施等设备所处的户外环境，条件恶劣诸如酸性环境、浸泡环境，会使得金属腐蚀现象更为严重。如果金属结构件被腐蚀，导致其强度下降，引起损坏，除了零件本身的维修损失，还有可能造成更严重的经济损失甚至人员伤亡。
研究人员在过去长久研究中已开发了许多金属涂层的表面防腐蚀处理工艺来解决金属腐蚀的问题，如热浸镀锌涂层、含锌粉涂料涂层、电镀锌及一些锌合金涂层和化学转化涂层等表面防腐蚀技术。在作为钢铁构件的防腐材料应用金属锌时，发现其具有良好的耐腐蚀性能、与基体的结合强度高、材料的熔点低、易于进行涂覆，并且在镀层破损后可以作为阳极来保护阴极，起到电化学保护的作用等特点，因此采用锌作为保护涂层材料来对金属材料进行防腐保护，是目前应用最多最广泛的工艺方法。
但是在现有技术中，热浸镀锌、电镀锌及热喷涂锌是在基体表面形成纯锌层，而锌-铁合金层与铁基体的电位差小于纯锌层与基体之间的电位差，所以锌-铁合金层在作为阳极保护阴极时，由于电位差小电化学反应的速度与纯锌层相比更慢。因此纯锌层没有锌-铁合金层能够起到更长时间的牺牲阳极保护作用。镀层厚度均匀性不好，甚至出现漏镀现象。镀层与基体的结合强度较低，耐磨损的能力较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)对铁基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的铁基材料的表面附着锌箔材料；
(3)对附着有锌箔材料的铁基材料进行加热处理；
(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使锌箔材料粘附于铁基材料上；
(5)将附着锌箔材料的材料再次进行喷丸处理，使铁基材料在表层与锌系材料形成改性层。
步骤(1)中铁基材料在气压0.7MPa进行喷丸处理，采用钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
步骤(2)中所述锌箔材料的厚度为15-30um。
步骤(3)中通过电加热装置进行加热处理，将附着有锌箔材料的铁基材料加热至300-350℃。
步骤(4)进行喷丸处理的气压为0.2MPa，温度为300-350℃，采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
步骤(5)进行喷丸处理的气压为0.2-0.4MPa，温度为250-400℃，采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
通过上述方法形成的改性层为铁基材料-铁锌合金-锌系材料的“三明治”结构。
与现有技术相比，本发明采用运动的粒子冲击被加热的工件表面，粒子的运动(机械能)激活表面点阵原子，形成空位，降低了扩散激活能，将扩散变为点阵缺陷扩散，从而大幅度降低扩散温度，缩短了渗锌的时间，提高渗锌的效率。
本发明的优点在于结合喷丸与合金化的长处，利用喷丸加工过程中高速密集的弹丸冲击试样表面带来的金属材料表面的晶粒充分塑性变形以及细化。锌渗层主要用在铁基体材料上，具有厚度均匀，抗腐蚀性能好。
表面合金化通过扩散改变基体金属表面层的成分和组织来提高材料的性能，采用一定工艺参数下的喷丸强化，对无论是间隙扩散还是空位扩散时原子跃迁要克服的周围原子的势垒，即需要扩散激活能。扩散激活能通常是通过原子的热振动所获得的。温度越高，原子获得的能量越大。适当的气压和温度区间能够保证两个固体之间的浓度梯度和扩散通道以及扩散源原子能够克服晶格的势垒，为原子的扩散提供了大量的短程扩散通道，解决了扩散通道的问题，可以降低扩散温度、缩短扩散时间。为了使原子在较低温度下也能获得与高温下相当的能量，则需要外界能量的输入。在原子扩散的同时，一定温度下的喷丸处理可以帮助原子获得所需的扩散激活能，进一步促进元素的扩散，瞬态位错和空位也会促进元素的深层扩散。通过试验研究，得到铁基锌系表面合金化的最优喷丸参数区间为气压0.2MPa，温度为300-350℃以及气压为0.2-0.4MPa，温度为250-400℃。
本发明制得的改性层不仅能提高金属材料在大气、水、硫化氢及一些有机介质(如苯、油类)中的抗腐蚀能力，而且还可以使制件表面获得比电镀锌和热镀锌高的硬度和耐磨性；具有处理温度较低，因而可以保持铁基材料的力学性能，并且铁基材料的形变量很小；渗锌层与基体为冶金结合，很难发生剥落，而且渗锌层与铁的电位差，比锌与铁的电位差小，作为阳极性保护层，改性层具有更好的保护效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。
本发明提出制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，包括以下步骤：
S1：对铁基材料在气压0.7MPa进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质，喷丸所使用的钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
S2：将清理好的铁基材料表面附着上锌箔材料，锌箔厚度15-30um；
S3：采用电加热装置对工件进行加温，加热到300-350℃；
S4：将加热到300-350℃的工件进行喷丸处理，使锌系材料粘附于铁基材料上；喷丸工艺为气压0.2MPa，钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
S5：将附着锌箔材料的工件再次喷丸处理，使铁基材料在表层与锌系材料形成改性层。喷丸工艺为气压0.2-0.4MPa，温度250-400℃，钢丸为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550，最终制备得到的改性层为铁基材料-铁锌合金-锌系材料的“三明治”结构。
以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。
实施例1
一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450的钢丸，在气压0.7MPa对铁基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的铁基材料的表面附着厚度为15um的锌箔材料；
(3)利用电加热装置，对附着有锌箔材料的铁基材料加热至300℃；
(4)保持上述温度，利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450的钢丸，在气压0.2MPa对对加热后的材料进行喷丸处理，使锌箔材料粘附于铁基材料上；
(5)控制温度为250℃，将附着锌箔材料的材料再次进行喷丸处理，使用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450，气压控制在0.2MPa，使铁基材料在表层与锌系材料形成铁基材料-铁锌合金-锌系材料的“三明治”结构的改性层。
实施例2
一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV500的钢丸，在气压0.7MPa对铁基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的铁基材料的表面附着厚度为20um的锌箔材料；
(3)利用电加热装置，对附着有锌箔材料的铁基材料加热至320℃；
(4)保持上述温度，利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV500的钢丸，在气压0.2MPa对对加热后的材料进行喷丸处理，使锌箔材料粘附于铁基材料上；
(5)控制温度为320℃，将附着锌箔材料的材料再次进行喷丸处理，使用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV500，气压控制在0.3MPa，使铁基材料在表层与锌系材料形成铁基材料-铁锌合金-锌系材料的“三明治”结构的改性层。
实施例3
一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，采用以下步骤：
(1)利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV550的钢丸，在气压0.7MPa对铁基材料进行喷丸处理，去除表面的锈及杂质；
(2)对清理好的铁基材料的表面附着厚度为20um的锌箔材料；
(3)利用电加热装置，对附着有锌箔材料的铁基材料加热至350℃；
(4)保持上述温度，利用粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV550的钢丸，在气压0.2MPa对对加热后的材料进行喷丸处理，使锌箔材料粘附于铁基材料上；
(5)控制温度为400℃，将附着锌箔材料的材料再次进行喷丸处理，使用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV550，气压控制在0.4MPa，使铁基材料在表层与锌系材料形成铁基材料-铁锌合金-锌系材料的“三明治”结构的改性层。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，该方法采用以下步骤：
(1)对铁基材料进行喷丸处理；
(2)对清理好的铁基材料的表面附着锌箔材料；
(3)对附着有锌箔材料的铁基材料进行加热处理；
(4)对加热后的材料进行喷丸处理，使锌箔材料粘附于铁基材料上；
(5)将附着锌箔材料的材料再次进行喷丸处理，使铁基材料在表层与锌系材料形成改性层。
2.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(1)中铁基材料在气压0.7MPa进行喷丸处理。
3.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(1)采用钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
4.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(2)中所述锌箔材料的厚度为15-30um。
5.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(3)中通过电加热装置进行加热处理。
6.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(3)将附着有锌箔材料的铁基材料加热至300-350℃。
7.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(4)进行喷丸处理的气压为0.2MPa，温度为300-350℃。
8.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(4)采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
9.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(5)进行喷丸处理的气压为0.2-0.4MPa，温度为250-400℃。
10.根据权利要求1所述的一种制备铁基材料锌系合金机械结合改性层的方法，其特征在于，步骤(5)采用的钢丸的粒径为0.8mm，规格为G2，硬度为HV450-550。
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