CN111876723A - 一种渗锌方法以及防腐蚀金属件 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种渗锌方法及防腐蚀金属件。其中，渗锌方法包括：S1、对待渗锌的金属件进行除油除锈处理，并将处理后的金属件与渗锌剂共同置于密闭渗罐中，所述渗锌剂包括以下质量份数的组分：金属粉末20‑100份，分散剂40‑80份，分解剂0.2‑5份，其中，所述金属粉末包括锌粉60‑97份和镁粉3‑40份；S2、驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门；S3、对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至预设温度后通入氢气加压，直至达到预设氢气压力条件，保温1‑10小时，金属件表面形成渗层，完成渗锌。本申请提供的渗锌方法，操作简单，使用方便，成本低廉，经济效益高，适用范围广。

Description

一种渗锌方法以及防腐蚀金属件

技术领域

本申请涉及金属材料表面化学热处理技术领域，特别涉及一种渗锌方法及防腐蚀金属件。

背景技术

渗锌是使金属材料表面渗入锌的化学热处理工艺。对金属材料表面进行渗锌处理，能够显著提高其抗大气腐蚀的能力。其中，粉末渗锌因其具有无氢脆、结合强度高、耐腐蚀好等一系列优点，而被广泛应用于金属件表面防腐处理中。目前，全球铁路扣件、高强度紧固件等大多都采用粉末渗锌防腐处理方法进行表面防护。

现有的粉末渗锌技术仍存在着耐腐蚀性能不高的问题。采用渗锌剂对金属件进行粉末渗锌后会在金属件上形成渗层，采用目前市面上的渗锌剂渗锌形成的渗层主要为锌铁合金相和锌相，锌的晶体结构为各向异性的密排六方结构，点阵常数由a和c表示。渗锌过程中，锌的生长具有取向性，会优先沿着c轴方向生长，锌的自扩散系数在平行c轴方向是在垂直c轴方向的近20倍。而由于各向异性的存在，生长过程中锌晶体之间的晶界为弱晶界结构，腐蚀过程中，这种弱晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是透明的，腐蚀性物质可以直接穿透锌的晶界进入钢铁基体，从而导致很快会在渗层表面出现红色锈斑，盐雾性能测试中，表面出现红锈的时间一般会被判定为耐盐雾腐蚀寿命。而普通渗层耐盐雾寿命往往只有几十小时，远远无法满足工程中盐雾寿命几百小时甚至上千小时的要求。这需要在粉末渗锌结束后进行表面封闭、涂敷达克罗等方法进行处理，以提前其整体耐腐蚀性能。然而表面封闭及达克罗等多为有机或无机涂料，在实际使用环境的风沙、冲蚀等条件下，封闭层又很容易被磨损掉，往往会发生过早腐蚀，引起金属件过早失效。

目前，现有技术提高渗锌层耐腐蚀性能主要靠添加铝、镍、稀土等方法来实现，而实际应用中这些方法对提高渗锌层耐腐蚀性能仍然有限，名称为“锌镍渗层黑色金属防腐工艺”的专利公开了一种锌镍渗层的组分及粉末渗工艺，其中镍粉含量0.5wt％—1.4wt％，但是在500℃以内进行粉末渗处理时，镍很难渗进去形成渗层，因此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，并没有达到提高渗层耐腐蚀性的效果。

镁的化学性质十分活泼，可以与O₂、N₂、H₂O等众多非金属物质反应，用量十分难以把握。由于镁的化学性质特殊，在现有技术中很少会将镁粉加入至渗锌剂中，即使渗锌剂中含有镁粉成分，其用量也极少，也并不依靠镁粉发挥主要作用，通常需要与多种其他成分配合使用。比如名称为“一种高活性、快渗速的渗锌剂”的专利公开了一种高活性、快渗速的渗锌剂，其中铝和镁加入目的是为了提高渗剂活性从而达到快渗速的目的，也没有达到提高渗层耐腐蚀性的效果。

此外，现有渗锌剂中加入的镁粉通常粒径均在10μm以下，镁粉在金属粉末中的含量往往小于5％。现有的渗锌剂中加入镁粉的目的大多为通过镁粉的高温反应对金属件表面进行清洁，上述镁粉的粒径和含量已经足以达到其目的。但是，粒径小于10μm的镁粉虽然能够起到清洁表面的作用，却易发生爆炸，安全性低，且在高温条件下还会反应形成气态化合物。镁粉在金属粉末中的含量小于5％的情况下，其在高温条件下几乎全部与金属表面进行反应，而导致无法或极少进入到渗层中。

更重要的是，金属往往是通过置换反应和还原反应扩散渗入渗层中的，与置换反应相比，还原反应所需的反应活化能更低，反应更容易进行。而镁属于大原子直径元素，与铁几乎不可能发生置换反应，与锌发生置换反应需要较高的反应活化能，反应发生较为困难或反应进行比较缓慢。

因此，镁是否能用于渗锌处理、如何用于渗锌处理、用于渗锌处理是否能够具有一定的效果是一直未被解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种渗锌方法及防腐蚀金属件，以解决现有技术中存在的技术缺陷。

本申请提供一种渗锌方法，包括：

S1、对待渗锌的金属件进行除油除锈处理，并将处理后的金属件与渗锌剂共同置于密闭渗罐中，所述渗锌剂包括以下质量份数的组分：金属粉末20-100份，分散剂40-80份，分解剂0.2-5份，其中，所述金属粉末包括锌粉60-97份和镁粉3-40份；

S2、驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门；

S3、对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至预设温度后通入氢气加压，直至达到预设氢气压力条件，保温1-10小时，金属件表面形成渗层，完成渗锌。

进一步地，在S3中，基于镁向渗锌层扩散发生还原反应的平衡常数确定预设氢气压力条件为不低于一个大气压。

进一步地，在S3中，对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至360℃-415℃或320℃-480℃后通入氢气加压，直至氢气压力不低于一个大气压，保温1-10小时，金属件表面形成渗层，完成渗锌。

进一步地，所述镁粉为纯镁粉或镁合金粉；

优选地，所述镁粉为纯度大于95％的纯镁粉或镁的重量比不小于40％的镁合金粉。

进一步地，所述分散剂为陶瓷粉末，所述分解剂为卤化氨；

优选地，所述陶瓷粉末包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅、碳化硅中的至少一种；

更为优选地，所述卤化氨包括氯化铵、氟化铵、碘化铵、溴化铵、氟化氢氨中的至少一种。

进一步地，所述渗锌剂还包括能够促进镁渗入渗层的活性剂0.5-3份；

优选地，所述活性剂为卤化镁。

进一步地，所述镁粉的粒径为10μm-500μm，所述锌粉的粒径为1μm-200μm，所述分散剂的粒径为5μm-500μm。

进一步地，所述渗锌剂还包括二氧化锰，所述二氧化锰的质量份数不大于所述分解剂的质量份数。

进一步地，在S2中，对所述密闭渗罐进行抽真空处理，或向所述密闭渗罐中通入保护气氛驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门。

进一步地，所述镁粉向渗层扩散发生的还原反应的方程式为：

所述还原反应的平衡常数为：

其中，在

的情况下，所述还原反应的平衡常数为：

基于lgK_p,还原≥-2确定氢气压力不低于一个大气压。

本申请还提供一种防腐蚀金属件，所述防腐蚀金属件的渗层通过如上所述的方法制成。

进一步地，所述渗层中镁的平均含量为0.5wt％-20wt％；

优选地，所述渗层的厚度为5μm-200μm。

本申请提供的渗锌方法，具有如下所述的技术效果：

其一通过驱赶所述密闭渗罐中的空气，由于镁具有极高的活性，如此可以有效避免渗锌剂中的镁与空气反应。

其二通过对所述密闭渗罐进行升温处理，不仅可以进一步驱赶密闭渗罐中的空气，同时还创造了完成金属件渗锌的适宜环境条件，升温至预设温度后采用氢气加压直至达到预设氢气压力条件，保温1-10小时，完成渗锌，其中，采用氢气加压，一方面通入的氢气可以与氧气发生反应，去除金属件上镁的氧化物，另一方面能够为镁渗入渗层发生的还原反应提供所需的气氛条件和压力条件，促使镁更加充分的进行还原反应向渗层中渗入，提高镁的渗入速度，增强渗层质量。

其三通过包含锌粉和镁粉的渗锌剂对金属件进行渗锌处理，由于锌存在各向异性，在生长过程中锌晶体之间的晶界为弱晶界结构，这种弱晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是透明的，腐蚀性物质能够直接穿过这些弱晶界结构进行腐蚀，而镁能够聚集在锌的弱晶界结构处，通过高温反应形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等具有高耐蚀性的锌镁合金相，促使弱晶界结构转变为对能够有效阻挡氯离子等腐蚀性物质的强晶界结构，从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能。

总之，本申请提供的渗锌方法，操作简单，使用方便，成本低廉，经济效益高，适用范围广，尤其是其采用含镁渗锌剂在氢气加压的条件下对金属件进行渗锌处理，不仅镁粉的加入能够显著提升渗层的耐腐蚀性能，而且氢气加压还能够位镁的渗入提供助力，进一步促使镁快速、高效的渗入渗层，大幅提高渗层耐腐蚀性能。

本申请提供的防腐蚀金属件，其表面通过上述渗锌方法渗入锌与镁形成能够防止金属件腐蚀的渗层，镁与锌相互作用形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等具有高耐蚀性的锌镁合金相，为金属件构建起坚实的保护屏障，阻挡氯离子等腐蚀性物质对金属件的侵蚀，有效提高金属件的耐腐蚀性能，延长金属件的使用寿命，成本低，易于推广使用。

附图说明

图1是本申请一实施例的钢铁表面平均镁含量5wt％的含镁渗锌层成分分布图；

图2是三种不同镁含量渗层的X射线衍射(XRD)相结构对比图；

图3是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀不同时间的表面状态图；

图4是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀0小时断面状态图；

图5是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀1000小时断面状态图；

图6是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀2000小时断面状态图；

图7是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀4000小时断面状态图；

图8是本申请一实施例的平均镁含量为43％的渗层表面图；

图9是本申请一实施例的平均镁含量为43％的渗层断面形貌图；

图10是本申请一实施例的普通渗锌层表面腐蚀产物放大图；

图11是本申请一实施例的防腐蚀金属件的含镁渗锌层表面腐蚀产物放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式进行描述。

在本发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。并且，本文中所用的试剂、材料和操作步骤均为相应领域内广泛使用的试剂、材料和常规步骤。

实施例1

本实施例提供一种渗锌方法，包括步骤S1至步骤S3。

S1、对待渗锌的金属件进行除油除锈处理，并将处理后的金属件与渗锌剂共同置于密闭渗罐中，所述渗锌剂包括以下质量份数的组分：金属粉末20-100份，分散剂40-80份，分解剂0.2-5份，其中，所述金属粉末包括锌粉60-97份和镁粉3-40份。

一方面，锌的原子半径为0.1332纳米，镁的原子半价为0.1598纳米，二者原子半径差值小于15％，同时镁与锌均为密排六方结构，所以二者可以共同作用形成渗层。虽然镁自身不耐腐蚀，但是其在锌的晶体结构中，能够占据部分锌原子的位置，特别是在晶界处，一定量的镁能够聚集在锌的弱晶界处，并通过高温反应形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等合金相自身为高耐蚀相，在晶界处形成可以促使原来的弱晶界结构变为强晶界结构，特别是这些强晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是不透明的，可以将这些腐蚀性物质阻挡在外面。同时，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相在腐蚀过程中，腐蚀产物由普通粉末渗锌的疏松组织转变为致密组织，从而极大提高了金属件的耐腐蚀性能，极大延长了金属件的使用寿命。

另一方面，渗锌剂中镁粉的质量份数为3-40份可以保证在渗层能溶入0.5wt％—20wt％的镁，进而促使形成高耐蚀的MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等高耐蚀合金相，从而极大提高了金属件的耐腐蚀寿命。由于镁自身极为活泼，一般情况下镁总会优先与含氧物质中的氧反应，比如空气中的氧、铁氧化物中的氧、锌氧化物中的氧等，一旦镁表面形成一定含量的氧化物后，镁很难再扩散进入金属体内。

大量实验数据表明，与普通渗锌剂形成的渗层相比，含有0.5wt％—20wt％镁的渗层其耐中性盐雾寿命可以提高数十倍，具有极高的工程应用价值和应用前景。

参见图1，图1为钢铁表面平均镁含量5wt％的含镁渗锌层成分分布图，从图中可以看出，在0-4μm处镁的平均含量为19％，在4-8μm处镁的平均含量为4.2％，在8-12μm处镁的平均含量为3.5％，在12-16μm处镁的平均含量为2％，即渗层从内向外镁含量逐渐增加。这是由于首先发生锌向钢铁件表面的扩散，与铁形成锌铁合金层，然后是镁向锌中的扩散，越向外，锌含量越高铁含量越少，对应的镁含量随着锌含量的增加而增加，该渗层耐盐雾寿命能够达到4000小时。

参见图2，图2为三种不同镁含量渗层的X射线衍射(XRD)相结构对比图，可以看出不论渗层中镁的含量为1wt％、5wt％还是8wt％，其均具有MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等高耐蚀锌镁合金相。

我们对平均含镁5wt％的钢铁件渗层的盐雾寿命进行了分析，检测依据为GB/T10125—2012，结果参见图3，图3从左到右依次是盐雾100小时、2000小时和4000小时后的钢铁件表面状态图，可以看出，在盐雾100小时和2000小时的情况下，钢铁件表面均未出现红锈，在盐雾4000小时的情况下，钢铁件表面才出现红锈。

参见图4-图7，图4-图7分别是盐雾0小时、100小时、2000小时、4000小时钢铁件的断面状态图，可以看出，随着时间的推移，渗层的厚度逐渐减小，在盐雾4000小时的情况下，钢铁件出现腐蚀，可见在渗锌剂中加入适量镁，可以极大的提高渗层的耐中性盐雾寿命。

若镁含量过低，其会主要与含氧物质中的氧反应进而无法进入渗层中。因为镁无法与金属(比如铁)直接反应，因此反应的初始阶段只会发生锌向金属件的扩散，当渗层中锌的浓度达到一定程度时镁才会向锌中扩散，从而形成含镁的渗锌层。尤其是当渗锌剂中镁的含量小于2wt％时，由于反应初期镁不会直接渗入金属件中，此时镁通过与金属件表面氧化膜、锌表面氧化膜发生反应来提高反应活性。当渗层中锌含量达到镁能够渗入条件时，这时由于镁的含量太少，已经几乎被初期的反应消耗殆尽，无法提供足够多的活性镁原子，进而无法渗入到渗层中。若镁含量过高，会导致形成的镁合金偏多，由于镁合金不耐腐蚀进而导致渗层的耐腐蚀性能反而下降，并且，由于镁的活性极强，镁含量过高易引起爆炸，安全性低。

参见图8和图9，图8是平均镁含量为32％的渗层表面图，图9是平均镁含量为32％的渗层断面形貌图。从表面看，渗层表面生成了大量的疏松组织，其主要为镁合金组织。从断面看，镁含量过高，渗层发生了开裂现象，腐蚀性介质直接通过裂纹进入到基体。所以，若镁含量过高，渗层的耐腐蚀性能反而下降。

此外，镁粉可以为纯度大于95％的纯镁粉，也可以为镁的重量比不小于40％的镁合金粉，以提供足够的镁原子渗入渗层。

在本实施例中，金属粉末的质量份数可以为20份、25份、30份、35份、40份、45份、50份、55份、60份、65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份、100份等，优选为40-80份，更优选为50-70份，在该金属粉末中锌粉的质量份数可以为60份、65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份等，优选为70-90份，更优选为75-85份，锌粉的粒径优选为1μm-200μm，可以为1μm、10μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm等，镁粉的质量份数可以为3份、5份、10份、15份、20份、25份、30份、35份、40份等，优选为8-38份，更优选为10-35份，镁粉的粒径优选为10μm-500μm，可以为1μm、10μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等，均可视具体情况而定，本申请对此不做限制。需要说明的是，若镁粉的粒径小于10μm，则镁粉极易发生爆炸，安全性极低，若镁粉的粒径大于500μm，则其活性和渗速会快速下降，所以，本实施例对镁粉的粒径并不是随意限定的，只有在其粒径处于10μm-500μm的范围内，其效果发挥才是最为稳定的。

具体地，分散剂优选为陶瓷粉末，陶瓷粉末包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅、碳化硅中的至少一种。在本实施例提供的渗锌剂中加入陶瓷粉末，可以有效防止金属粉末发生粘结。

在本实施例中，分散剂的粒径优选为5μm-500μm，具体可以为5μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等，分散剂的质量份数可以为40份、45份、50份、55份、60份、65份、70份、75份、80份等，可视具体情况而定，本申请对此不做限制。

具体地，分解剂优选为卤化氨，所述卤化氨包括氯化铵、氟化铵、碘化铵、溴化铵、氟化氢氨中的至少一种，优选为氯化铵。在粉末渗锌的温度条件下，卤化氨可以分解提供氨和卤化氢气体，一则能够起到清洁金属件表面的作用，再则卤化氢能够起到活化其他组分的作用，促进渗锌的进行。其中，分解剂的质量份数可以为0.2份、0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份等。

S2、驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门。

在实际应用中，可以对所述密闭渗罐进行抽真空处理，或向所述密闭渗罐中通入保护气氛以驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门。其中，保护气氛优选为惰性气体。

S3、对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至预设温度后通入氢气加压，直至达到预设氢气压力条件，保温1-10小时，金属件表面形成渗层，完成渗锌。

在本实施例中，预设氢气压力条件优选为不低于一个大气压，即氢气压力不低于0.101325MPa，可以为0.15MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa等，可视具体情况而定，本申请对此不做限制。

具体地，镁向渗层发生扩散其还原反应的方程式为：

该反应的平衡常数为：

由于其为1个大气压力条件下的氢，则

在不考虑置换反应发生的情况下，

近似等于1。那么

进一步地，

可见仅需保证lgK_p,还原的值不小于-2，镁向渗层发生扩散的还原反应就可以发生，即镁能够向渗层中扩散，那么一个大气压的氢气以及380℃温度环境条件下，金属镁的lgK_p,与

的差值大于-2，还原反应可以进行。若进一步增加氢气压力、提升温度，则镁渗入渗层的还原反应会进行的更快。

在实际应用中，可以对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至360℃-415℃或320℃-480℃的情况下保温1-10小时，比如2小时、4小时、6小时、8小时等，即可完成渗锌。其中，在渗锌剂为静态粉末的情况下，预设温度优选为360℃-415℃，比如360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、415℃等，在渗锌剂为动态粉末的情况下，预设温度优选为320℃-480℃，比如320℃、340℃、360℃、380℃、400℃、420℃、440℃、460℃、480℃等。

本实施例提供的渗锌方法，操作简单，使用方便，成本低廉，经济效益高，适用范围广，尤其是其采用含镁渗锌剂在氢气加压的条件下对金属件进行渗锌处理，不仅镁粉的加入能够显著提升渗层的耐腐蚀性能，而且氢气加压还能够进一步促使镁快速、高效的渗入渗层，大幅提高渗层耐腐蚀性能。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供一种渗锌方法，其步骤S1中采用的渗锌剂还可以包括能够促进镁渗入渗层的活性剂0.5-3份，比如0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份等，本申请对此不做限制。

具体地，活性剂优选为卤化镁，卤化镁包括氯化镁、氟化镁、碘化镁、溴化镁中的至少一种。

由于在粉末渗锌过程中，卤化镁始终为固态，可以充分的与钢铁件表面及渗层接触反应，从而更易实现镁的渗入，进而加入卤化镁作为活化剂，能够促使镁能快速有效的渗入渗层中，能够促进镁与锌之间的相互作用，能够促进镁在锌晶界处的聚集，进而有效提高渗层的耐腐蚀性能。虽然氯化铵、氟化铵等卤化氨同样具有活化催渗的作用，但其对于镁的活化催渗作用并不强烈。以氯化铵为例，氯化铵受热分解生成氨和氯化氢气体，镁与气态的氯化氢反应生成的活性镁原子大多数都不会附着在渗层表面与渗层反应。

总而言之，本实施例提供的渗锌方法中，渗锌剂包括金属粉末、分散剂、分解剂和活化剂，其中，金属粉末包括锌粉和镁粉，如此可以在渗锌的过程中实现镁的渗入，锌与镁能够形成高耐腐蚀的锌镁合金相，从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能，活化剂的加入可以进一步促使镁粉向渗层的渗入，进而更进一步地提高渗锌剂的性能。

实施例3

在实施例1或2的基础上，本实施例提供一种渗锌方法，其步骤S1中采用的渗锌剂还可以包括二氧化锰，二氧化锰的质量份数不大于分解剂的质量份数，具体地，二氧化锰的质量份数可以为0-3份，比如0.01份、0.05份、0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份等，可视具体情况而定，本申请对此不做限制。

在实际应用中，二氧化锰加入至渗锌剂中可以作为镁的渗入反应催化剂，其通过与作为分解剂的卤化氨反应来促进镁向渗层中的扩散。首先，卤化氨高温分解得到氨和卤化氢气体，然后卤化氢气体与二氧化锰反应得到卤化锰和氯气等气体，氯气等气体能够提供大量活性离子，活性离子与镁反应能够生成活性无水卤化镁气体，最终活性无水卤化镁气体可以与渗层中的锌发生交换，进而发生镁向渗锌层中的扩散。

以氯化铵为例，在350℃的条件下，氯化铵开始分解生成氨和氯化氢，氯化氢与二氧化锰反能够生成氯化锰和氯气，氯气能够在渗层表面提供大量的活性氯离子，活性氯离子与镁反应生成活性无水氯化镁气体，而活性无水氯化镁气体能够与渗层中的锌发生置换反应，进而促进镁向渗层中扩散。

特别是在渗锌剂中还包括卤化镁活性剂的情况下，固态卤化镁能够与气态卤化镁产生双重催渗作用，推动镁源源不断地渗入渗锌层中，以使渗锌层中能够含有足量的镁，并与锌反应形成高耐蚀的锌镁合金相，提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例4

本实施例提供一种防腐蚀金属件，该防腐蚀金属件的表面通过实施例1-3任意一项所述的渗锌方法渗入锌与镁形成能够防止金属件腐蚀的渗层。

将表面清理过的金属件与渗锌剂一同装入密封容器中，加热到锌的熔点(419.4℃)以下，保温一定的时间，然后随炉冷却到室温，金属件的表面就形成了能够防止其腐蚀的渗层。

渗层中镁的平均含量在0.5wt％-20wt％之间，比如1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％等，以保证能够最大限度的提高渗层的耐腐蚀性能。经过大量实验证明，在渗层中的镁含量小于0.5wt％的情况下，即镁的质量份数小于3份的情况下，，镁主要与含氧物质中的氧发生反应，无法进入渗层中，在渗层中的镁含量大于12wt％的情况下，即镁的质量份数大于40份的情况下，渗层中镁含量会偏高，导致形成的镁合金相偏多，由于镁合金自身是极不耐腐蚀的，故渗层的耐腐蚀性能反而明显下降。与普通渗层相比，含有0.5wt％—20wt％镁的渗层其耐中性盐雾寿命可以提高数十倍，具有极高的工程应用价值和应用前景。

渗层的厚度优选为20-100μm，其具体可以为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等，可视具体情况而定，本申请对此不做限制。

其中，渗层中镁的含量随着渗层深度的增加而减少，在渗层中较浅的位置处，镁的含量较多，在渗层中较深的位置处，镁的含量较少。

此外，需要说明的是，渗层的表面镁含量可能会大于20％，这是由于渗层表面会粘附过量的镁粉而导致的渗层表层镁含量较高。但该部分仅仅出现在渗层表层，随着腐蚀的进行，高镁含量的渗层表层很快会被腐蚀，进而露出镁含量在0.5wt％-20wt％的能够防止金属件被腐蚀的渗层，在该渗层中，镁能够聚集在锌的弱晶界处，并通过高温反应形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等合金相自身为高耐蚀相，在晶界处形成可以促使原来的弱晶界结构变为强晶界结构，特别是这些强晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是不透明的，可以将这些腐蚀性物质阻挡在外面。同时，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相在腐蚀过程中，腐蚀产物由普通粉末渗锌的疏松组织转变为致密组织，从而极大提高了金属件的耐腐蚀性能，极大延长了金属件的使用寿命。

参见图10和图11，图10是普通渗锌层表面腐蚀产物放大图，图11是本实施例提供的防腐蚀金属件的含镁渗锌层表面腐蚀产物放大图，可以明显看出，普通渗锌层的表面腐蚀产物数量远远多于本实施例提供的防腐蚀金属件的含镁渗锌层表面腐蚀产物。换而言之，本实施例提供的防腐蚀金属件，由于其渗锌层含有一定量的镁而使得其耐腐蚀性能得到了显著的提高。

实施例5

本申请提供的渗锌方法以及渗锌方法中使用到的渗锌剂对于其能够应用的多个方面均带来了显著的改善，在此以防雷接电、铁路扣件、高强度紧固件为例进行具体说明。

其一，防雷接电方面，目前防雷接电采用的防腐方式普遍为电镀铜，一方面电镀铜成本很高，目前一吨接地件的电镀铜加工费两万多元，另一方面，在碱性土壤等环境中，铜容易发生腐蚀，易导致接地件的提前腐蚀而失效，同时还会对土壤、水源等环境造成重金属污染。

采用本申请提供的渗锌方法对金属件进行渗锌处理，不仅可以完美解决上述问题，其采用氢气加压的方式使镁快速充分地发生还原反应以渗入至渗层中，改善现有粉末渗锌方法对金属件进行渗锌处理在处理速度、耐腐蚀性能方面的不足，并且成本低，经济效益好。

其二，铁路扣件方面，目前铁路扣件普遍采用粉末渗锌加封闭处理的方法进行渗锌处理，但在铁路的高震动服役环境下，实际使用寿命远远达不到设计要求，实际使用寿命往往还没有达到设计寿命一半的时间，铁路扣件就已经整体更换了一遍。

采用本申请提供的渗锌方法，通过氢气加压实现铁路扣件渗层中镁的渗入，为镁提供渗入渗层所需的气氛条件和压力条件，不仅能够大大提高镁的渗入速度，还能够提高渗层的耐腐蚀性能，延长其使用寿命，完全可以满足地铁等特殊场景的高标准要求，并且该方法同时还可以省去后续封闭、达克罗等涂层处理，一并实现了渗锌工艺的简化与金属件渗层功能的提升。

其三，高强度紧固件方面，以风电行业为例，风电行业中的风电螺栓为高强度紧固件，目前采用的方法多为粉末渗锌加封闭或者达克罗，后续维护基本靠刷漆。风电螺栓一旦安装后很难更换，一旦因为腐蚀问题发生断裂失效，会造成极大的财产损失甚至人员伤亡。

采用本申请提供的渗锌方法对高强度紧固件进行渗锌处理则不会出现上述问题。本申请提供的渗锌方法在渗层中引入镁元素，热扩散过程中形成MgZn₂与Mg₂Zn₁₁等耐腐蚀的合金相。渗层在腐蚀过程中，镁锌合金相促使产生致密不易溶的腐蚀产物；同时，MgZn₂等合金组织自身结构致密，有效降低了腐蚀速率。当渗层表面被划伤后，在受损部位还能很快形成一层致密的化合物层，阻止腐蚀的进一步发生，从而具有自修复的功能，能够完美适用于高强度紧固件。

实施例7

本试验例提供试验组1-6。试验组1-6均使用相同的金属件，各组处理方式如下所示：

试验组1对金属件进行电镀锌处理；

试验组2对金属件进行热浸锌处理；

试验组3对采用未加入镁粉的渗锌剂对金属件进行粉末渗锌和封闭处理，该渗锌剂包括：锌粉48份+氧化铝粉50份+氯化铵2份；

试验组4采用实施例1所述的方法对金属件进行渗锌处理，其中前两步与实施例1所述方法相同，第三步不通入氢气加压，该渗锌剂包括：锌粉40份+镁粉8份+氧化铝粉50份+氯化铵2份；

试验组5采用实施例1所述的方法对金属件进行渗锌处理，其采用的渗锌剂包括：锌粉40份+镁粉8份+氧化铝粉50份+氯化铵2份，第三步中预设氢气压力条件为0.02Mpa；

试验组6采用实施例1所述的方法对金属件进行渗锌处理，其采用的渗锌剂包括：锌粉40份+镁粉8份+氧化铝粉50份+氯化铵2份，第三步中预设氢气压力条件为0.2Mpa。

处理完成后检测各组金属件的硬度、耐腐蚀寿命、氢脆性、抗盐雾性、渗层厚度、耐磨性、抗二氧化硫性等性能进行检测，结果如表1所示。

表1各组金属件使用性能对比表

从以上数据中可以看出，采用本申请提供的渗锌方法对金属件进行渗锌处理，处理后的金属件硬度强，耐腐蚀寿命长，无氢脆，抗盐雾和抗二氧化硫效果好。

在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。

除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。

上面结合附图对本申请优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请构思的前提下做出各种变化。

Claims (10)

1.一种渗锌方法，其特征在于，包括：

S1、对待渗锌的金属件进行除油除锈处理，并将处理后的金属件与渗锌剂共同置于密闭渗罐中，所述渗锌剂包括以下质量份数的组分：金属粉末20-100份，分散剂40-80份，分解剂0.2-5份，其中，所述金属粉末包括锌粉60-97份和镁粉3-40份；

S2、驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门；

S3、对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至预设温度后通入氢气加压，直至达到预设氢气压力条件，保温1-10小时，金属件表面形成渗层，完成渗锌。

2.根据权利要求1所述的渗锌方法，其特征在于，在S3中，基于镁向渗锌层扩散发生还原反应的平衡常数确定预设氢气压力条件为氢气压力不低于一个大气压；

优选地，所述镁粉向渗层扩散发生的还原反应的方程式为：

所述还原反应的平衡常数为：

其中，在

的情况下，所述还原反应的平衡常数为：

基于lgK_p,还原≥-2确定氢气压力不低于一个大气压；

更为优选地，在S3中，对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至360℃-415℃或320℃-480℃后通入氢气加压，直至氢气压力不低于一个大气压，保温1-10小时，金属件表面形成渗层，完成渗锌。

3.根据权利要求1所述的渗锌方法，其特征在于，所述镁粉为纯镁粉或镁合金粉；

优选地，所述镁粉为纯度大于95％的纯镁粉或镁的重量比不小于40％的镁合金粉。

4.根据权利要求1所述的渗锌方法，其特征在于，所述分散剂为陶瓷粉末，所述分解剂为卤化氨；

优选地，所述陶瓷粉末包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅、碳化硅中的至少一种；

更为优选地，所述卤化氨包括氯化铵、氟化铵、碘化铵、溴化铵、氟化氢氨中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的渗锌方法，其特征在于，所述渗锌剂还包括能够促进镁渗入渗层的活性剂0.5-3份；

优选地，所述活性剂为卤化镁。

6.根据权利要求1所述的渗锌方法，其特征在于，所述镁粉的粒径为10μm-500μm，所述锌粉的粒径为1μm-200μm，所述分散剂的粒径为5μm-500μm。

7.根据权利要求1所述的渗锌方法，其特征在于，所述渗锌剂还包括二氧化锰，所述二氧化锰的质量份数不大于所述分解剂的质量份数。

8.根据权利要求1所述的渗锌方法，其特征在于，在S2中，对所述密闭渗罐进行抽真空处理，或向所述密闭渗罐中通入保护气氛驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门。

9.一种防腐蚀金属件，其特征在于，所述防腐蚀金属件的渗层通过权利要求1-8所述的方法制成。

10.根据权利要求9所述的防腐蚀金属件，其特征在于，所述渗层中镁的平均含量为0.5wt％-20wt％；

优选地，所述渗层的厚度为5μm-200μm。

Images