CN110129791A - 一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，在不添加铁离子的情况下，以浓硫酸处理钢片表面形成铁的氧化膜，将带有氧化膜的钢片置于含有硝酸铝、沉淀剂、十六烷基三甲基溴化铵的水热反应容器中水热合成氢氧化物复合膜，通过热处理得到复合氧化物膜。在700℃和900℃铝液腐蚀6.5h后，显示带有复合膜的样品耐铝液腐蚀性能是钢基体耐蚀性能的4～5倍。该方法制备耐铝液腐蚀复合膜具有制备工艺简单，提高耐铝液腐蚀性能显著，在铝合金加工、铝合金相变储能领域有广泛应用前景。

Description

一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法
技术领域
本发明属于液态金属腐蚀防护的技术领域，尤其涉及一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法。
背景技术
随着科技的发展，铝及铝合金制品的应用越来越广泛，铝制品加工生产过程中铝液腐蚀失效随之而来，成为涉及液态铝行业不可回避的问题。据分析统计发现，铝液腐蚀现象普遍出现在铝及铝合金铸造过程中使用的铸造模具，传输铝液的管道，铝熔炼和铸造过程中检测铝液温度的热电偶保护套，热浸镀铝行业铁基坩埚和传送辊，铝-硅合金相变储能材料的储存容器等多个生产环节中，造成接触铝液的模具、容器、量具、储存设备等铁基零件和部件的腐蚀，造成维护成本上升，生产效率下降，铝制备质量下降等问题，严重制约涉及液态铝的相关行业发展，因此，提高铁基材料耐铝液腐蚀性能技术是当前的重要技术问题。
铁基材料的铝液腐蚀首先在固液界面处发生铝液和铁基体的润湿，进而形成铁和铝的金属间化合物Fe2Al5、FeAl3不断消耗铁基体，Fe2Al5、FeAl3会在相变应力和热应力作用下逐渐剥落溶解，造成铁基材料的失效。根据所含元素不同，界面润湿性能有所不同。如4043铝合金含有Si元素为表面活性元素，Si在界面富集降低固液界面能(界面活化能大约8KJ/Mol)并提高反应性。而6061铝合金中含Mg元素，使界面其活化能为86KJ/Mol，与铁基材料润湿性能低于4043铝合金。同时改变钢的元素构成也可以改变界面润湿性。因此目前提高铁基合金耐铝液腐蚀性能的方法有合金化、渗硼、陶瓷涂层等方法。合金化只能延缓腐蚀的进行，并不能从根本上解决铝液腐蚀的问题；渗硼处理具有良好的效果，但是工艺复杂，对制备温度要求高，在高温时由于扩散速度加快，硼流失严重，耐腐蚀性能不如低温下效果好；而陶瓷涂层能隔绝铝液与铁基材料的接触，但是陶瓷涂层的结合强度不高，由于涂层两侧材料的热膨胀系数、弹性模量等参数存在较大差异，在交变温度场热应力作用下容易开裂。提升耐蚀性的有效方法是隔绝固液界面直接接触，降低铝液与接触面的润湿性。含铝复合氧化膜与铝液的润湿性较差，在700～900℃时润湿角为151°～152°，可降低铁基金属表面在铝液中的润湿性，在铝液中腐蚀速率极小，具有提高耐铝液腐蚀的作用。
发明内容
基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，以钢表面致密氧化膜为基底，经水热反应，在基底结晶生长得到致密、表面平整、与基体结合强度高的复合膜，工艺简单、环境友好。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，在未添加Fe盐的情况下，通过浓硫酸浸泡预制钢表面氧化膜，将带有氧化膜的钢片置于含有硝酸铝、沉淀剂、十六烷基三甲基溴化铵溶液的水热反应容器中水热合成氢氧化物复合膜，再通过热处理在钢表面形成含有Fe、Al阳离子的致密复合膜，具体步骤包括：
S1、钢基体处理：先用15～30wt.％的酸溶液清洗钢片，然后用乙醇、丙酮冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂；
S2、浓硫酸处理：将钢片置于浓硫酸中浸泡20～120分钟，用乙醇或丙酮清洗干净，干燥处理；
S3、配置反应溶液：20～40mmol的硝酸铝、20～80mmol沉淀剂、0.05～0.15g十六烷基三甲基溴化铵、配制成40～60ml的水溶液，搅拌至均匀溶解；
S4、水热反应制备薄膜：将配置好的溶液放入高压反应釜中，然后将钢片呈倾斜状态置于反应釜中，将反应釜常压下加热到所要求的温度，保温3～5小时；
S5、热处理：将钢片从反应釜中取出，用蒸馏水冲洗后在空气中干燥，接着将钢片放入干燥箱中35℃～60℃烘干，将烘干后的钢片加热到680℃～800℃，保温4-6小时，获得复合膜。
优选的，步骤S3中的沉淀剂为可在水溶液高温水解出氨的尿素。
进一步的，步骤S3中的硝酸铝与沉淀剂的摩尔比为1:1～1:2。
优选的，步骤S4的常压下加热的温度范围为120℃～150℃。
进一步的，步骤S1中冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂后还包括：用砂纸打磨钢片除去表面氧化膜，直至钢片表面呈现亮白色金属光泽，再干燥处理。
由上，本发明的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法在不添加铁离子的情况下，以浓硫酸处理钢片表面形成铁的氧化膜，将带有氧化膜的钢片置于含有硝酸铝、沉淀剂、十六烷基三甲基溴化铵的水热反应容器中水热合成氢氧化物复合膜，通过热处理得到复合氧化物膜。在700℃和900℃铝液腐蚀6.5h后，显示带有复合膜的样品耐铝液腐蚀性能是钢基体耐蚀性能的4～5倍，本发明的方法制备耐铝液腐蚀复合膜具有制备工艺简单，提高耐铝液腐蚀性能显著，在铝合金加工、铝合金相变储能领域有广泛应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为复合膜烧结后宏观照片；
图2为复合膜烧结后的XRD图谱；
图3为未处理钢片以及实施例1试样在750℃铝液和900℃铝液中的腐蚀失重曲线图；
图4为未处理钢片以及实施例2试样在750℃铝液和900℃铝液中的腐蚀失重曲线图；
图5为未处理钢片以及实施例3试样在750℃铝液和900℃铝液中的腐蚀失重曲线图；
图6为本发明的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
本发明的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法采用水热法在钢表面制备复合膜，通过调整硝酸铝、沉淀剂及十六烷基三甲基溴化铵之间的配比制得氧化膜，具体方法见实施例。
实施例1
A钢基体处理：先用20wt.％的酸溶液清洗钢片，然后用乙醇、丙酮冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂，再用砂纸打磨钢片除去表面氧化膜，直至钢片表面呈现亮白色金属光泽，再干燥处理；
B浓硫酸处理：将钢片置于浓硫酸中浸泡60分钟，用乙醇或丙酮清洗干净，干燥处理；
C配置反应溶液：20mmol的硝酸铝、20mmol尿素、0.1g十六烷基三甲基溴化铵、配制成50ml的水溶液，搅拌至均匀溶解；
D水热反应制备薄膜：将配置好的溶液放入高压反应釜中，然后将钢片呈倾斜状态置于反应釜中，将反应釜常压下加热到120℃，保温5小时；
E热处理：将钢片从反应釜中取出，用蒸馏水冲洗后在空气中干燥，接着将钢片放入干燥箱中60℃烘干，将烘干后的钢片加热到700℃，保温5小时，获得复合膜。
实施例1得到复合膜经过750℃铝液腐蚀6.5小时后，腐蚀失重率为不含复合膜未处理钢片的15.6％，在900℃铝液腐蚀6.5小时后，腐蚀失重率为不含复合膜未处理钢片的25.6％，显著提高耐腐蚀性能。
实施例2
A钢基体处理：先用30wt.％的酸溶液清洗钢片，然后用乙醇、丙酮冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂，再用砂纸打磨钢片除去表面氧化膜，直至钢片表面呈现亮白色金属光泽，再干燥处理；
B浓硫酸处理：将钢片置于浓硫酸中浸泡20分钟，用乙醇或丙酮清洗干净，干燥处理；
C配置反应溶液：40mmol的硝酸铝、80mmol尿素、0.15g十六烷基三甲基溴化铵、配制成60ml的水溶液，搅拌至均匀溶解；
D水热反应制备薄膜：将配置好的溶液放入高压反应釜中，然后将钢片呈倾斜状态置于反应釜中，将反应釜常压下加热到140℃，保温4小时；
E热处理：将钢片从反应釜中取出，用蒸馏水冲洗后在空气中干燥，接着将钢片放入干燥箱中50℃烘干，将烘干后的钢片加热到680℃，保温6小时，获得复合膜。
实施例2得到复合膜经过750℃铝液腐蚀6.5小时后，腐蚀失重率为不含复合膜未处理钢片的13.1％，在900℃铝液腐蚀6.5小时后，腐蚀失重率为不含复合膜未处理钢片的23.9％，显著提高耐腐蚀性能。
实施例3
A钢基体处理：先用15wt.％的酸溶液清洗钢片，然后用乙醇、丙酮冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂，再用砂纸打磨钢片除去表面氧化膜，直至钢片表面呈现亮白色金属光泽，再干燥处理；
B浓硫酸处理：将钢片置于浓硫酸中浸泡120分钟，用乙醇或丙酮清洗干净，干燥处理；
C配置反应溶液：35mmol的硝酸铝、49mmol尿素、0.05g十六烷基三甲基溴化铵、配制成40ml的水溶液，搅拌至均匀溶解；
D水热反应制备薄膜：将配置好的溶液放入高压反应釜中，然后将钢片呈倾斜状态置于反应釜中，将反应釜常压下加热到150℃，保温3小时；
E热处理：将钢片从反应釜中取出，用蒸馏水冲洗后在空气中干燥，接着将钢片放入干燥箱中35℃烘干，将烘干后的钢片加热到800℃，保温4小时，获得复合膜。
实施例3得到复合膜经过750℃铝液腐蚀6.5小时后，腐蚀失重率为不含复合膜未处理钢片的19.8％，在900℃铝液腐蚀6.5小时后，腐蚀失重率为不含复合膜未处理钢片的26.2％，显著提高耐腐蚀性能。
本发明的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法以钢表面致密氧化膜为基底，经水热反应，在基底结晶生长得到致密、表面平整、与基体结合强度高的复合膜，该方法具有工艺简单、环境友好的特点，复合膜提高耐铝液腐蚀寿命4～5倍。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、钢基体处理：先用15～30wt.％的酸溶液清洗钢片，然后用乙醇、丙酮冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂；
S2、浓硫酸处理：将钢片置于浓硫酸中浸泡20～120分钟，用乙醇或丙酮清洗干净，干燥处理；
S3、配置反应溶液：20～40mmol的硝酸铝、20～80mmol沉淀剂、0.05～0.15g十六烷基三甲基溴化铵、配制成40～60ml的水溶液，搅拌至均匀溶解；
S4、水热反应制备薄膜：将配置好的溶液放入高压反应釜中，然后将钢片呈倾斜状态置于反应釜中，将反应釜常压下加热到所要求的温度，保温3～5小时；
S5、热处理：将钢片从反应釜中取出，用蒸馏水冲洗后在空气中干燥，接着将钢片放入干燥箱中35℃～60℃烘干，将烘干后的钢片加热到680℃～800℃，保温4-6小时，获得复合膜。
2.如权利要求1所述的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中的沉淀剂为可在水溶液高温水解出氨的尿素。
3.如权利要求1所述的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中的硝酸铝与沉淀剂的摩尔比为1:1～1:2。
4.如权利要求1所述的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，其特征在于，步骤S4的常压下加热的温度范围为120℃～150℃。
5.如权利要求1所述的耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂后还包括：用砂纸打磨钢片除去表面氧化膜，直至钢片表面呈现亮白色金属光泽，再干燥处理。
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