CN111850459B - 一种高耐蚀粉末渗锌剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量份配比的原料组成：锌合金粉20～80份、陶瓷粉20～80份、卤化物0.2～2份；其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为70～80:10～30:5～10:0.01～0.5:0.2～2。采用本发明产品进行粉末渗锌后的渗层具有高耐蚀的优良性能，既能大幅提高钢铁件实际使用寿命，又能省去封闭处理等后处理工艺而简化生产流程。

Description

一种高耐蚀粉末渗锌剂
技术领域
本发明涉及钢铁耐腐蚀技术领域，尤其提供一种高耐蚀粉末渗锌剂。
背景技术
钢铁材料因其价格低廉、力学性能优异在国民生活中得到了广泛的应用，但钢铁制件存在耐腐蚀性能较差的问题，目前钢结构及紧固件、工程机械部件、建筑五金、汽车等钢铁零部件，往往都需要进行耐腐蚀防腐处理。锌是钢铁件表面防护中最常使用的化学元素，锌防腐方法主要包括热浸镀锌、电镀锌、热喷涂锌和粉末渗锌几种工艺，其中粉末渗锌因其所形成的防腐层为锌与钢铁表面金属扩散形成的冶金合金层，具有优异的耐腐蚀性、抗磨损、抗冲击、抗高温氧化性等特性，极大地提高钢铁件的使用性能，在钢铁材料防腐工程领域得到了越来越广泛的应用，目前欧美国家对铁路扣件、风电螺栓等紧固件要求必须采用粉末渗锌的工艺。
粉末渗锌属于多元热扩散表面强化技术，是一种在加热状态下将锌及合金元素扩散进入钢铁件表面形成Zn-Fe合金防护层的化学热处理工艺。传统工艺步骤为：将粉末渗锌剂与钢铁件共同置于密封容器中，加热到400℃左右，使活性锌原子由钢铁件的表面向内部扩散，在其表面形成均匀的Zn-Fe合金防护层。粉末渗锌处理温度低，无氢脆的危害，同时也能避免紧固螺栓、弹簧等一些高强度件因处理温度高造成力学性能下降的弊端。
但是，现有的粉末渗锌剂在钢铁件表面扩散所形成的渗层仍存在着腐蚀性能不能满足工程要求的问题，就目前粉末渗锌的技术而言，单纯粉末渗锌耐盐雾寿命不到100小时。所以，必须在渗锌后的表面进行封闭处理以提高盐雾寿命，渗锌复合封闭处理后耐盐雾寿命可达到500小时以上。但在实际使用环境的风沙、冲蚀等条件下，封闭层很容易被磨损掉，往往会发生过早腐蚀。同时，渗锌后进行无机或有机封闭处理，会导致钢铁件整体导电、导热性能明显降低，限制了其在电气接地等工程中的应用。
例如公开号为CN 101319300B的专利文献公开了一种锌镍渗层黑色金属防腐工艺，其公开的锌镍渗层配料中镍粉含量为0.5～1.4％。然而在500℃以内进行粉末渗处理时，镍很难渗进去形成渗层，因此该产品难以形成高耐腐蚀的渗层，其耐腐蚀性能与传统粉末渗锌基本相当，且其说明书中也已公开该产品的中性盐雾试验只能达到600小时，即便是经过封闭处理后也才能达到1000小时。
综上，目前迫切需要开发高耐蚀的粉末渗锌剂，实现粉末渗锌后渗层具有高耐蚀的优良性能，既能大幅提高钢铁件实际使用寿命，又能省去现有粉末渗锌后封闭处理、达克罗处理的工艺，简化生产流程。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高耐蚀粉末渗锌剂，其粉末渗锌后的渗层具有高耐蚀的优良性能，既能大幅提高钢铁件实际使用寿命，又能省去封闭处理等后处理工艺而简化生产流程。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量份配比的原料组成：锌合金粉20～80份、陶瓷粉20～80份、卤化物0.2～2份；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为70～80:10～30:5～10:0.01～0.5:0.2～2。
进一步的，所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得，其中熔炼温度为500～900℃，熔炼时间10～20分钟。
进一步的，所述锌合金粉的粉体平均粒径为0.1～500μm。
进一步的，所述稀土化合物为氟化镧、氢氧化镧、氧化镧、氧化铈中的一种或多种。
进一步的，所述陶瓷粉为氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅中的一种或多种。
进一步的，所述陶瓷粉的粉体平均粒径为1～500μm。
进一步的，所述卤化物为氯化铵、氟化铵、碘化铵、氟化氢铵中的一种或多种。
本发明的积极效果：
采用本专利所述高耐蚀粉末渗锌剂，结合传统的粉末渗锌工艺，可以在钢铁件表面得到高耐蚀的渗层，在不做任何封闭处理等后处理条件下其耐中性盐雾寿命大于1500小时。
公开号为CN107022734A的专利文献公开一种高活性、快渗速的粉末渗锌剂，该专利所有实施例中铝粉和镁粉的粒径均小于10微米，该粒径的铝粉和镁粉活性极高，会和铁的氧化物优先反应，从而提高工件表面的清洁度，工件表面越清洁渗入速度会越快，同时，其镁粉的含量较小，小于3％，通过其所述工艺进行试验，发现该含量的镁粉是无法直接渗入到渗层中的。也就是说，该专利中铝和镁的加入是为了提高渗剂活性从而达到快渗的目的，且该产品公开的渗锌剂配方相对比较复杂。
相比之下，本专利是在所述锌合金粉中加入铝、镁及稀土化合物，且通过对锌、镁及铝的成分比例控制(比如镁粉，若低于其最低比例，粉末渗锌过程中其基本都会和铁的氧化物以及其它杂质反应，渗入不进渗层组织；若含量过高，则渗层组织形成的大多是镁合金相，而镁合金相不耐腐蚀，这就会导致渗锌层耐腐蚀性能反而会发生下降)，使得镁铝与锌之间形成锌镁铝的合金粉体，从而在粉末渗的过程中，锌镁进一步协同作用进入渗层组织，形成高耐蚀的MgZn2、Mg2Zn11合金相(如图5所示)，正是这种MgZn2、Mg2Zn11合金相促使腐蚀过程中，腐蚀产物由普通渗锌的疏松组织转变为致密组织，从而极大提高了钢铁件的耐腐蚀寿命。这其中，由于镁及镁合金极易氧化，一旦氧化会导致渗剂中镁元素无法渗入到渗层中，因此在锌合金粉体制备的合金冶炼过程中，添加一定量的稀土化合物，在将合金锭进行制粉处理时，在冷却过程中稀土会在镁合金晶界处形成纳米稀土层，从而实现对镁合金的包覆，使得最终的锌合金粉体颗粒是由锌相和镁合金相组成，以便于在后续的粉末渗锌过程中锌镁协同作用进入渗层组织。即本发明所述镁铝是通过所述锌合金粉的形式在渗锌剂中存在，若是在渗锌过程中直接加入镁铝，一方面镁铝非常活泼，存在安全性的问题，另一方面，对渗罐的气密性要求较高，且必须保证是低氧环境，而本专利这种合金渗剂优势是可以在大气环境条件下实现镁的渗入，安全性大大提高，同时对设备要求低，可以用现有的渗锌设备进行大规模生产。
此外，基于本发明的主要目的(保证渗锌的过程中，能有一定量的镁渗入渗锌层中)考虑，由于镁对氧极为敏感，所以在锌合金粉冶炼过程中加入一定量的磷，最终形成含磷的锌合金粉体，这样即使在传统大气环境条件下的粉末渗锌过程中，磷也可以脱去溶入锌合金粉体中的氧，保证锌合金粉体为无氧状态，为镁的渗入进一步提供条件；同时，锌合金粉体中含有一定量的磷，可以提高粉体的硬度，加速粉末渗锌的过程，因为粉体越硬其与钢铁件表面的摩擦作用越强烈，强烈的摩擦作用可以提高粉末渗的速度，避免粉体发生软化粘连而导致粉体失效。
总之，本发明所述高耐蚀粉末渗锌剂，可用于钢铁件表面粉末渗锌防腐处理，解决了现有渗锌剂形成的渗层耐中性盐雾寿命短的缺点，其耐中性盐雾寿命大于1500小时。
附图说明
图1是实施例2所述锌合金粉的粒径分布图。
图2是实施例2所述锌合金粉的SEM形貌图。
图3是实施例3所述锌合金粉的粒径分布图。
图4是实施例3所述锌合金粉的SEM形貌图。
图5是含锌镁合金的渗锌层的XRD相结构分析图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细说明。
实施例1
本发明优选实施例1提供一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量配比的原料组成：锌合金粉40kg、陶瓷粉80kg、卤化物0.24kg；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为70:20:10：0.01:1。
所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得(首先将锌块熔化，然后依次加入铝、镁、稀土化合物，最后将磷块压入熔化的锌合金中；熔炼一定时间后，直接雾化制粉)，其中熔炼温度为600℃，熔炼时间18分钟。
所述锌合金粉的粉体平均粒径为80μm。
所述稀土化合物为氢氧化镧。
所述陶瓷粉为氧化铝，所述陶瓷粉的粉体平均粒径为150μm。
所述卤化物为氯化铵。
采用的粉末渗锌工艺具体为：分别称取相应重量的锌合金粉、氧化铝粉、氯化铵，机械共混2小时，然后将混合物与45号钢槽钢(重量为4吨)共同放入渗锌炉中，400℃保温6小时，得到表面含锌镁合金的渗锌层，渗层厚度65微米，耐中性盐雾时间1800小时(经1800小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。
实施例2
本发明优选实施例2提供一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量配比的原料组成：锌合金粉50kg、陶瓷粉75kg、卤化物0.2kg；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为78:15:5:0.1:0.2。
所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得(首先将锌块熔化，然后依次加入铝、镁、稀土化合物，最后将磷块压入熔化的锌合金中；熔炼一定时间后，浇铸成铸锭，然后机械破碎成粉)，其中熔炼温度为800℃，熔炼时间12分钟。
所述锌合金粉的粉体平均粒径为18μm，其粒径分布图和SEM形貌图分别如图1、图2所示。
所述稀土化合物为氢氧化镧。
所述陶瓷粉为氧化铝，所述陶瓷粉的粉体平均粒径为50μm。
所述卤化物为氯化铵。
采用的粉末渗锌工艺具体为：分别称取相应重量的锌合金粉、氧化铝粉、氯化铵，机械共混2小时，然后将混合物与Q235圆钢(重量为1吨)共同放入渗锌炉中，410℃保温6小时，得到表面含锌镁合金的渗锌层，渗层厚度80微米，耐中性盐雾时间2200小时(经2200小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。
实施例3
本发明优选实施例3提供一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量配比的原料组成：锌合金粉40kg、陶瓷粉60kg、卤化物0.2kg；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为72:25:6:0.2:1。
所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得(首先将锌块熔化，然后依次加入铝、镁、稀土化合物，最后将磷块压入熔化的锌合金中；熔炼一定时间后，直接雾化制粉)，其中熔炼温度为650℃，熔炼时间15分钟。
所述锌合金粉的粉体平均粒径为9μm，其粒径分布图和SEM形貌图分别如图3、图4所示。
所述稀土化合物为氢氧化镧。
所述陶瓷粉为氧化铝，所述陶瓷粉的粉体平均粒径30μm。
所述卤化物为碘化铵。
采用的粉末渗锌工艺具体为：分别称取相应重量的锌合金粉、氧化铝粉、碘化铵，机械共混2小时，然后将混合物与60Si2Mn铁路垫片(重量为200kg)共同放入渗锌炉中，415℃保温6小时，得到表面含锌镁合金的渗锌层，渗层厚度100微米，耐中性盐雾时间3600小时(经3600小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。
实施例4
本发明优选实施例4提供一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量配比的原料组成：锌合金粉25kg、陶瓷粉28kg、卤化物0.6kg；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为72:14:6:0.3:0.23。
所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得(首先将锌块熔化，然后依次加入铝、镁、稀土化合物，最后将磷块压入熔化的锌合金中；熔炼一定时间后，直接雾化制粉)，其中熔炼温度为500℃，熔炼时间20分钟。
所述锌合金粉的粉体平均粒径为100μm。
所述稀土化合物为氟化镧。
所述陶瓷粉为氧化硅。
所述陶瓷粉的粉体平均粒径为200μm。
所述卤化物为氟化铵、氟化氢铵。
采用的粉末渗锌工艺具体为：分别称取相应重量的锌合金粉、氧化硅、氟化铵，机械共混2小时，然后将混合物与60Si2Mn铁路垫片(重量为260kg)共同放入渗锌炉中，410℃保温6小时，得到表面含锌镁合金的渗锌层，渗层厚度92微米，耐中性盐雾时间2700小时(经2700小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。
实施例5
本发明优选实施例5提供一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量配比的原料组成：锌合金粉60kg、陶瓷粉60kg、卤化物1.5kg；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为78:22:9:0.4:1.6。
所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得(首先将锌块熔化，然后依次加入铝、镁、稀土化合物，最后将磷块压入熔化的锌合金中；熔炼一定时间后，直接雾化制粉)，其中熔炼温度为800℃，熔炼时间14分钟。
所述锌合金粉的粉体平均粒径为300μm。
所述稀土化合物为氧化镧。
所述陶瓷粉为氮化铝和氮化硅。
所述陶瓷粉的粉体平均粒径为300μm。
所述卤化物为氯化铵、氟化铵、碘化铵。
采用的粉末渗锌工艺具体为：分别称取相应重量的锌合金粉、陶瓷粉、卤化物，机械共混2小时，然后将混合物与Q235圆钢(重量为500kg)共同放入渗锌炉中，410℃保温6小时，得到表面含锌镁合金的渗锌层，渗层厚度85微米，耐中性盐雾时间2500小时(经2500小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。
实施例6
本发明优选实施例6提供一种高耐蚀粉末渗锌剂，由如下重量配比的原料组成：锌合金粉30kg、陶瓷粉50kg、卤化物1.2kg；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为80:10:6:0.5:2。
所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得(首先将锌块熔化，然后依次加入铝、镁、稀土化合物，最后将磷块压入熔化的锌合金中；熔炼一定时间后，浇铸成铸锭，然后机械破碎成粉)，其中熔炼温度为900℃，熔炼时间12分钟。
所述锌合金粉的粉体平均粒径为500μm。
所述稀土化合物为氧化镧及氧化铈的混合物(两者间比例不限)。
述陶瓷粉为氮化铝、氮化硅、碳化硅(三者间比例不限)。
所述陶瓷粉的粉体平均粒径为450μm。
所述卤化物为氯化铵。
采用的粉末渗锌工艺具体为：分别称取相应重量的锌合金粉、陶瓷粉、卤化物，机械共混2小时，然后将混合物与Q235圆钢(重量为800kg)共同放入渗锌炉中，415℃保温6小时，得到表面含锌镁合金的渗锌层，渗层厚度83微米，耐中性盐雾时间2400小时(经2400小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高耐蚀粉末渗锌剂，其特征在于，由如下重量份配比的原料组成：锌合金粉20～80份、陶瓷粉20～80份、卤化物0.2～2份；
其中，所述锌合金粉由如下原料组成：锌、镁、铝、磷、稀土化合物，其中锌、镁、铝、磷、稀土化合物间的重量比为70～80:10～30:5～10:0.01～0.5:0.2～2。
2.根据权利要求1所述的一种高耐蚀粉末渗锌剂，其特征在于：所述锌合金粉采用采用先熔炼后制粉的方法获得，其中熔炼温度为500～900℃。
3.根据权利要求2所述的一种高耐蚀粉末渗锌剂，其特征在于：所述锌合金粉的粉体平均粒径为0.1～500μm。
4.根据权利要求1所述的一种高耐蚀粉末渗锌剂，其特征在于：所述稀土化合物为氟化镧、氢氧化镧、氧化镧、氧化铈中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种高耐蚀粉末渗锌剂，其特征在于：所述陶瓷粉为氧化铝、氧化硅、氮化铝、氮化硅、碳化硅中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的一种高耐蚀粉末渗锌剂，其特征在于：所述陶瓷粉的粉体平均粒径为1～500μm。
7.根据权利要求1所述的一种高耐蚀粉末渗锌剂，其特征在于：所述卤化物为氯化铵、氟化铵、碘化铵、氟化氢铵中的一种或多种。
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