CN114318213A - 一种高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法 - Google Patents
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Abstract
一种高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，所述的固态扩散表面防腐处理方法包括低温扩散和高温扩散两个过程，通过低温扩散以及高温扩散相结合的技术手段获得的样品卡压管件，其大大缩短了相同涂覆厚度的工艺时间，大大节约了工艺成本，并且通过本方法得到的卡压管件，耐磨性以及耐腐蚀性能都有了显著的提高。
Description
技术领域
本发明涉及碳钢卡压管件的表面防腐处理方法，适用范围为通径15～300mm的碳钢卡压式管件。
背景技术
专利号为CN111926286B的申请文件，作为最接近的现有技术，解决了现有技术工艺方法存在的局限性，获得了一种高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，进而运用在工业生产中，制备出了一种表面不含有有机物的碳钢卡压管件，在盐雾腐蚀过程中，所述的合金层可形成的连续致密复杂化合物，具有很好的抗盐雾腐蚀抗力和抗磨能力，所述的合金层表面硬度高于材料基体硬度，合金层扩散进基体，同样具有较好的耐腐蚀性能。在压接过程中，因为表面硬度高于基体，表面镀层不易被机械磨掉，内部也具有较好的耐腐蚀性，从根本上改变了碳钢表面物理化学性质，也简化了碳钢现有的表面改性工艺。尽管如此，耐腐蚀性能也最多也只能提高到原来的11.7倍，耐磨性能最多也只能够提高到原来的4.7倍。并且耐腐蚀性能和耐磨性能的最佳参数并不能够出现在同一组制备工艺中。基于现有技术中扩散效果的局限性，本领域技术人员继续要进行技术突破，以满足更加高标准的卡压管件的物理参数。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，具体为：一种高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，所述的固态扩散表面防腐处理方法包括低温扩散和高温扩散两个过程，通过低温扩散和高温扩散相结合的方式，不仅能够显著缩短工艺时间，而且在较短时间下能够获得质地更加均匀的涂覆表面，具体的工艺参数如下所示：
步骤a、对管件进行表面处理，采用除油剂清除工件表面的油污，加入除锈剂后用煮沸20～40min，所述的除油剂为氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠以及水的混合溶液；其中，所述的除油剂中氢氧化钠的质量分数为30～40％，所述硅酸钠的质量分数为7～10％，所述碳酸钠的质量分数为3～7％；通过弱碱环境的除油剂，能够轻松清除卡压管件表面的油污，并且能够提供钢管表面的微碱性环境，避免在晾干水分的过程中，使得钢管表面被氧化，同时，在经过除油剂除油之后的卡压管件在晾干过程中，能够有效避免空气中的二氧化硫等酸性气体的影响，并及时与大气中的弱酸性环境进行反应中和(例如，大气中的弱酸性的环境是普遍存在的，例如大气中的弱酸性环境可能会导致酸雨的形成等)，避免卡压管件的表面分子结构发生弱变化，进而影响后期的涂覆效果。
作为较佳实施例，优选地：如果钢件油污过多，可先用汽油粗略除油处理。
步骤b、选取粒度范围为300～450目的铝粉、锌粉、镍粉和锰粉；相比较于现有技术CN111926286B，在扩散材料中加入了锰粉，改善了碳钢卡压管件显微组织的均匀性；同时,添加锰使材料，使得后续进行高温扩散时，避免系统中碳损失减少,增加卡压管件中贝氏体和马氏体组织地含量，结果使材料地力学性能得以提高；
作为较佳实施例，优选地：铝粉、锌粉、镍粉和锰粉的混合比例为铝粉∶锌粉∶镍粉：锰粉＝15～13∶77～80∶12～15：8～11；
作为较佳实施例，优选地：使用膨润土作粘结剂，配制金属涂敷材料，膨润土作为无机粘接剂，使得改性合金层与碳钢基底之间为紧密的冶金结合，不易产生表层开裂或剥落的现象；膨润土占混合粉总量的0.46％～0.52％；
作为较佳实施例，优选地：将配置好的金属涂覆材料利用粉碎机粉碎成平均粒度为25～30纳米的粉末A，该平均粒度的粉末，与碳钢表面的微结构更加具有嵌合性，使得扩散过程更加容易；
步骤C、取NH4F、AlCl3·H2O、Fe2O3的混合物，然后将混合物中加入直径为5～6mm的FeCrAl合金球，得到粉末B；将粉末A与粉末B按照质量比是(7～8)：1的比例混合得到固态扩散粉末C；将配制好的粉末C均匀涂在管件表面上；
步骤d、将带有涂层的管件放置在空气中自然干燥，直至表面清洗液完全挥发掉，然后在涂有粉末C的管件外表面刷隔绝层，再次将其放置在空气中自然干燥，直至隔绝层中的水分完全挥发掉；通过刷隔绝层，在低温扩散时，能够将涂覆粉末锁定在卡压管件的表面，就相当于将卡压管件以及粉末C装在一个套子里面，使得处于隔绝层里面的粉末C在相同的震荡频率下，分子表面活性增加，粉末C与碳钢管件表面的碰撞频率增加，分子运动更加激烈，大大提高了扩散效率，
步骤e、然后步骤d中得到的管件放置在炉内加热固态扩散，进行低温扩散，所述的低温扩散时，温度控制在200～300℃，并在加热炉中以35～45Hz的频率振动处理2～3h；然后进行高温扩散，所述的高温扩散时，将炉加热至400～500℃，保温10小时，同时在炉内加热固态扩散时，采取抽真空或气体保护，抽真空时真空度为-4.2～-5.3×104Pa，或用氮气作为保护气体，在炉内加热时送入炉内；先通过低温震荡扩散，使得粉末C能够快速渗透到管件的表面层以内，但是通过震荡扩散法使得扩散厚度达到2～3mm以上之后，粉末C如果在继续通过震荡扩散，其效果显著降低，因为此时的粉末C颗粒物只能够与卡压管件表面的已经涂覆的合金层发生碰撞，物理碰撞难以深入到卡压管件表层内部，因此接下来采用高温扩散，将卡压管件的表面合金层厚度进一步提高；
作为较佳实施例，优选地：步骤e中，低温扩散的温度为250℃，高温扩散的温度为450℃。
步骤f、将管件出炉，自然冷却至室温，制成表面有合金层的管件；g、该合金层的表面上，进行抛光、涂油、涂漆、喷塑、封闭剂或有机涂层处理。
作为较佳实施例，优选地：所述的所述的隔绝层是有水玻璃和硅砂组合而成，所述的所述的隔绝层是有水玻璃和硅砂组合而成。
作为较佳实施例，优选地：步骤f中的抛光方法为将直径在0.5～2.0mm的铸铁丸子在0.2～0.4MPa压缩空气的作用下抛向钢铁制件表面。
有益效果：通过低温扩散以及高温扩散相结合的技术手段获得的样品卡压管件，其大大缩短了相同涂覆厚度的工艺时间，大大节约了工艺成本，并且通过本方法得到的卡压管件，耐磨性以及耐腐蚀性能都有了显著的提高。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
a、对管件进行表面处理，采用除油剂清除工件表面的油污，加入除锈剂后用煮沸30min，所述的除油剂为氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠以及水的混合溶液；其中，所述的除油剂中氢氧化钠的质量分数为35％，所述硅酸钠的质量分数为10％，所述碳酸钠的质量分数为6％；
b、选取粒度范围为300目的铝粉、锌粉、镍粉和锰粉，铝粉、锌粉、镍粉和锰粉的混合比例为铝粉∶锌粉∶镍粉：锰粉＝15∶80∶12：8；使用膨润土作粘结剂，配制金属涂敷材料；膨润土占混合粉总量的0.46％～0.52％；将配置好的金属涂覆材料利用粉碎机粉碎成平均粒度为25～30纳米的粉末A；
C、取NH4F、AlCl3·H2O、Fe2O3的混合物，然后将混合物中加入直径为5～6mm的FeCrAl合金球，得到粉末B；将粉末A与粉末B按照质量比是8：1的比例混合得到固态扩散粉末C；将配制好的粉末C均匀涂在管件表面上；
d、将带有涂层的管件放置在空气中自然干燥，直至表面清洗液完全挥发掉，然后在涂有粉末C的管件外表面刷隔绝层，再次将其放置在空气中自然干燥，直至隔绝层中的水分完全挥发掉；
e、然后步骤d中得到的管件放置在炉内加热固态扩散，进行低温扩散，所述的低温扩散时，温度控制在200℃，并在加热炉中以35Hz的频率震荡处理2h；然后进行高温扩散，所述的高温扩散时，将炉加热至400～500℃，保温10小时，同时在炉内加热固态扩散时，采取抽真空或气体保护，抽真空时真空度为-4.2～-5.3×104Pa，或用氮气作为保护气体，在炉内加热时送入炉内；
f、将管件出炉，自然冷却至室温，制成表面有合金层的管件；g、该合金层的表面上，进行抛光、涂油、涂漆、喷塑、封闭剂或有机涂层处理。
对碳钢进行扩散处理后,用扫描电镜观察涂层的截面和表面形貌，并用能谱仪测定涂层表面的元素成分,同时利用X射线衍射分析测定涂层的物相；把样品管件(扩散处理之后的卡压管件)和碳钢空白试样分别置于质量分数为5％的盐酸中进行极化测试，观察期耐腐蚀性能，其耐腐蚀性能提高了13倍，耐磨性提高了6.2倍。
实施例2
a、对管件进行表面处理，采用除油剂清除工件表面的油污，加入除锈剂后用煮沸30min，所述的除油剂为氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠以及水的混合溶液；其中，所述的除油剂中氢氧化钠的质量分数为35％，所述硅酸钠的质量分数为10％，所述碳酸钠的质量分数为6％；
b、选取粒度范围为450目的铝粉、锌粉、镍粉和锰粉，铝粉、锌粉、镍粉和锰粉的混合比例为铝粉∶锌粉∶镍粉：锰粉＝13∶80∶15：11；使用膨润土作粘结剂，配制金属涂敷材料；膨润土占混合粉总量的0.46％～0.52％；将配置好的金属涂覆材料利用粉碎机粉碎成平均粒度为25～30纳米的粉末A；
C、取NH4F、AlCl3·H2O、Fe2O3的混合物，然后将混合物中加入直径为6mm的FeCrAl合金球，得到粉末B；将粉末A与粉末B按照质量比是8：1的比例混合得到固态扩散粉末C；将配制好的粉末C均匀涂在管件表面上；
d、将带有涂层的管件放置在空气中自然干燥，直至表面清洗液完全挥发掉，然后在涂有粉末C的管件外表面刷隔绝层，再次将其放置在空气中自然干燥，直至隔绝层中的水分完全挥发掉；
e、然后步骤d中得到的管件放置在炉内加热固态扩散，进行低温扩散，所述的低温扩散时，温度控制在200～300℃，并在加热炉中以35～45Hz的频率震荡处理2～3h；然后进行高温扩散，所述的高温扩散时，将炉加热至400～500℃，保温10小时，同时在炉内加热固态扩散时，采取抽真空或气体保护，抽真空时真空度为-4.2～-5.3×104Pa，或用氮气作为保护气体，在炉内加热时送入炉内；
f、将管件出炉，自然冷却至室温，制成表面有合金层的管件；g、该合金层的表面上，进行抛光、涂油、涂漆、喷塑、封闭剂或有机涂层处理。
对碳钢进行扩散处理后,用扫描电镜观察涂层的截面和表面形貌，并用能谱仪测定涂层表面的元素成分,同时利用X射线衍射分析测定涂层的物相；把样品管件(扩散处理之后的卡压管件)和碳钢空白试样分别置于质量分数为5％的盐酸中进行极化测试，观察期耐腐蚀性能，其耐腐蚀性能提高了14倍，耐磨性提高了5.2倍。
实施例3
a、对管件进行表面处理，采用除油剂清除工件表面的油污，加入除锈剂后用煮沸30min，所述的除油剂为氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠以及水的混合溶液；其中，所述的除油剂中氢氧化钠的质量分数为35％，所述硅酸钠的质量分数为10％，所述碳酸钠的质量分数为6％；
b、选取粒度范围为350目的铝粉、锌粉、镍粉和锰粉，铝粉、锌粉、镍粉和锰粉的混合比例为铝粉∶锌粉∶镍粉：锰粉＝13∶79∶14：9.5；使用膨润土作粘结剂，配制金属涂敷材料；膨润土占混合粉总量的0.46％～0.52％；将配置好的金属涂覆材料利用粉碎机粉碎成平均粒度为25～30纳米的粉末A；
C、取NH4F、AlCl3·H2O、Fe2O3的混合物，然后将混合物中加入直径为5.5mm的FeCrAl合金球，得到粉末B；将粉末A与粉末B按照质量比是8：1的比例混合得到固态扩散粉末C；将配制好的粉末C均匀涂在管件表面上；
d、将带有涂层的管件放置在空气中自然干燥，直至表面清洗液完全挥发掉，然后在涂有粉末C的管件外表面刷隔绝层，再次将其放置在空气中自然干燥，直至隔绝层中的水分完全挥发掉；
e、然后步骤d中得到的管件放置在炉内加热固态扩散，进行低温扩散，所述的低温扩散时，温度控制在250℃，并在加热炉中以40Hz的频率震荡处理2～3h；然后进行高温扩散，所述的高温扩散时，将炉加热至400～500℃，保温12小时，同时在炉内加热固态扩散时，采取抽真空或气体保护，抽真空时真空度为-4.2～-5.3×104Pa，或用氮气作为保护气体，在炉内加热时送入炉内；
f、将管件出炉，自然冷却至室温，制成表面有合金层的管件；g、该合金层的表面上，进行抛光、涂油、涂漆、喷塑、封闭剂或有机涂层处理。
对碳钢进行扩散处理后,用扫描电镜观察涂层的截面和表面形貌，并用能谱仪测定涂层表面的元素成分,同时利用X射线衍射分析测定涂层的物相；把样品管件(扩散处理之后的卡压管件)和碳钢空白试样分别置于质量分数为5％的盐酸中进行极化测试，观察期耐腐蚀性能，其耐腐蚀性能提高了15倍，耐磨性提高了8倍。
实施例4
a、对管件进行表面处理，采用除油剂清除工件表面的油污，加入除锈剂后用煮沸30min，所述的除油剂为氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠以及水的混合溶液；其中，所述的除油剂中氢氧化钠的质量分数为35％，所述硅酸钠的质量分数为10％，所述碳酸钠的质量分数为6％；
b、选取粒度范围为350目的铝粉、锌粉、镍粉和锰粉，铝粉、锌粉、镍粉和锰粉的混合比例为铝粉∶锌粉∶镍粉：锰粉＝13∶79∶14：9.5；使用膨润土作粘结剂，配制金属涂敷材料；膨润土占混合粉总量的0.46％～0.52％；将配置好的金属涂覆材料利用粉碎机粉碎成平均粒度为25～30纳米的粉末A；
C、取NH4F、AlCl3·H2O、Fe2O3的混合物，然后将混合物中加入直径为5.5mm的FeCrAl合金球，得到粉末B；将粉末A与粉末B按照质量比是8：1的比例混合得到固态扩散粉末C；将配制好的粉末C均匀涂在管件表面上；
d、将带有涂层的管件放置在空气中自然干燥，直至表面清洗液完全挥发掉，然后在涂有粉末C的管件外表面刷隔绝层，再次将其放置在空气中自然干燥，直至隔绝层中的水分完全挥发掉；
e、然后步骤d中得到的管件放置在炉内加热固态扩散，进行低温扩散，所述的低温扩散时，温度控制在360℃，并在加热炉中以40Hz的频率震荡处理2～3h；然后进行高温扩散，所述的高温扩散时，将炉加热至400～500℃，保温12小时，同时在炉内加热固态扩散时，采取抽真空或气体保护，抽真空时真空度为-4.2～-5.3×104Pa，或用氮气作为保护气体，在炉内加热时送入炉内；
f、将管件出炉，自然冷却至室温，制成表面有合金层的管件；g、该合金层的表面上，进行抛光、涂油、涂漆、喷塑、封闭剂或有机涂层处理。
对碳钢进行扩散处理后,用扫描电镜观察涂层的截面和表面形貌，并用能谱仪测定涂层表面的元素成分,同时利用X射线衍射分析测定涂层的物相；把样品管件(扩散处理之后的卡压管件)和碳钢空白试样分别置于质量分数为5％的盐酸中进行极化测试，观察期耐腐蚀性能，其耐腐蚀性能提高了17倍，耐磨性提高了10倍。
可见，通过上述固态扩散处理后的管件，在耐腐蚀和耐磨性上都有了明显的改善。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，所述的固态扩散表面防腐处理方法包括低温扩散和高温扩散两个过程，其特征在于：步骤a、对管件进行表面处理，采用除油剂清除工件表面的油污，加入除锈剂后用煮沸20～40min，所述的除油剂为氢氧化钠、硅酸钠、碳酸钠以及水的混合溶液；其中，所述的除油剂中氢氧化钠的质量分数为30～40％，所述硅酸钠的质量分数为7～10％，所述碳酸钠的质量分数为3～7％；步骤b、选取粒度范围为300～450目的铝粉、锌粉、镍粉和锰粉，铝粉、锌粉、镍粉和锰粉的混合比例为铝粉∶锌粉∶镍粉：锰粉＝15～13∶77～80∶12～15：8～11；使用膨润土作粘结剂，配制金属涂敷材料；膨润土占混合粉总量的0.46％～0.52％；将配置好的金属涂覆材料利用粉碎机粉碎成平均粒度为25～30纳米的粉末A；步骤c、取NH4F、AlCl3·H2O、Fe2O3的混合物，然后将混合物中加入直径为5～6mm的FeCrAl合金球，得到粉末B；将粉末A与粉末B按照质量比是(7～8)：1的比例混合得到固态扩散粉末C；将配制好的粉末C均匀涂在管件表面上；步骤d、将带有涂层的管件放置在空气中自然干燥，直至表面清洗液完全挥发掉，然后在涂有粉末C的管件外表面刷隔绝层，再次将其放置在空气中自然干燥，直至隔绝层中的水分完全挥发掉；步骤e、然后步骤d中得到的管件放置在炉内加热固态扩散，进行低温扩散，所述的低温扩散时，温度控制在200～300℃，并在加热炉中以35～45 Hz的频率震荡处理2～3h；然后进行高温扩散，所述的高温扩散时，将炉加热至400～500℃，保温10小时，同时在炉内加热固态扩散时，采取抽真空或气体保护，抽真空时真空度为-4.2～-5.3×104Pa，或用氮气作为保护气体，在炉内加热时送入炉内；步骤f、将管件出炉，自然冷却至室温，制成表面有合金层的管件；g、该合金层的表面上，进行抛光、涂油、涂漆、喷塑、封闭剂或有机涂层处理。
2.如权利要求1所述的高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，其特征在于：如果钢件油污过多，可先用汽油粗略除油处理。
3.如权利要求2所述的高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，其特征在于：步骤e中，低温扩散的温度为250℃，高温扩散的温度为450℃。
4.如权利要求3所述的高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，其特征在于：所述的所述的隔绝层是有水玻璃和硅砂组合而成，所述的所述的隔绝层是有水玻璃和硅砂组合而成。
5.如权利要求4所述的高低温相结合的碳钢卡压管件的固态扩散方法，其特征在于：步骤f中的抛光方法为将直径在0.5～2.0 mm的铸铁丸子在0.2～0.4 MPa压缩空气的作用下抛向钢铁制件表面。
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