CN114481012A - 一种钢铁构件用多元素合金共渗剂及其防腐工艺 - Google Patents

Abstract

一种钢铁构件用多元素合金共渗剂及其防腐工艺，以重量份计，所述多元素合金共渗剂包含：锌粉20～40份、锌铝粉50～70份、复合不锈钢粉5～10份、稀土氧化物0.5～2份、助渗剂1～5份。本发明还提供一种钢构件防腐工艺，采用本发明提供的多元素合金共渗剂在钢铁构件表面形成多元素合金共渗层，还包括在共渗后进行钝化处理和封闭处理。本发明的提供的防腐工艺能够显著提升钢铁构件的耐腐蚀性能。

Description

一种钢铁构件用多元素合金共渗剂及其防腐工艺

技术领域

本发明涉及金属表面处理和金属防腐技领域，尤其涉及一种钢铁构件用多元素合金共渗剂及其防腐工艺。

背景技术

钢铁材料的腐蚀一直是一个相当严重的问题。目前应用于金属工件的防腐蚀工艺方法主要有热镀锌、电镀、热浸锌和粉末渗锌等。粉末渗锌是钢铁件表面防腐的重要方法之一，它是利用原子渗透扩散原理，使锌粉与钢铁件在一定温度下接触后在表面形成结合牢固、厚度均匀的锌铁合金保护层。与热浸锌和电镀工艺相比，粉末渗锌工艺有很多自己独特的优势，具体体现在如下方面：如工艺简单、耗锌量低、节约能源、对环境无危害等。

在以锌为渗剂的单元渗基础上，现有技术已经发展出多元合金共渗工艺。与单元渗相比，多元合金共渗强调多种元素的互补与配合，吸收各种单元渗的优点，弥补其不足之处，从而使得渗层耐腐蚀性得到进一步提高，耐中性盐雾性能从200～300h延长到500h以上。但在实际使用中，由于加工工艺等原因，无论是采用粉末渗锌工艺还是多元合金共渗工艺生产的产品，仍普遍存在锈蚀问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种钢铁构件用多元素合金共渗剂及其防腐工艺，能够大幅提升钢铁件在自然环境中耐腐蚀能力，在隧道内、外、沿海地区均可实现有效防腐，极大延长使用寿命。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种多元素合金共渗剂，其中，以重量份计，所述多元素合金共渗剂包含：锌粉20～40份、锌铝粉50～70份、复合不锈钢粉5～10份、稀土氧化物0.5～2份、助渗剂1～5份；

其中，以重量计，在所述锌铝粉中，Al占1％～6％，余量为锌，更优选地占3％，余量为锌；

其中，所述复合不锈钢粉由奥氏体不锈钢粉、铜粉、镍粉构成，以重量计，三种成分比例为(80～90):(5～10):(5～10)，不锈钢粉选自304、304L、316、316L、302、308等牌号奥氏体不锈钢粉中一种或多种，奥氏体不锈钢粉、铜粉、镍粉均优选300～400目。

其中，以重量计，所述稀土氧化物由40％～60％的三氧化二镧和40％～60％的二氧化铈组成。

其中，以重量计，所述助渗剂包含50％～70％的NH₄Cl和余量的石英砂。

所述的多元素合金共渗剂，其中，以重量份计，优选地，包含：锌粉25～35份、锌铝粉55～65份、复合不锈钢粉6～9份、稀土氧化物0.5～2份，助渗剂1～4份；

优选地，以重量份计，所述多元合金共渗剂包含：锌粉25份、锌铝粉64份、复合不锈钢粉8份、稀土氧化物1.0份、助渗剂2.0份。

所述的多元素合金共渗剂，其中，以重量计，在所述锌铝粉中，Al占3％，余量为锌；

优选地，以重量计，所述助渗剂包含55％～65％的NH₄Cl，优选62％的NH₄Cl和余量的石英砂，石英砂40～70目。

所述的多元素合金共渗剂，其中所述锌铝粉通过如下方法制备：

1)按照配比准备锌锭、铝锭；

2)将锌锭、铝锭加入到熔炼炉，升温至600～700℃，待全部熔融后，充分搅拌，保温15～30min，除去表面浮渣，获得Zn-Al合金液；

3)在雾化罐内，用压力不低于0.9MPa的99.99％高纯氮气以250～350m/s速度喷吹步骤2)得到的Zn-Al合金液，氮气喷吹方向与Zn-Al合金液流动方向呈80°～100°，使Zn-Al合金液雾化成微液滴，经冷凝器冷却，烘干，筛分得到粒径为300～400目的锌铝粉；

所述的多元素合金共渗剂的制备方法，所述方法包括：按照配比准备各原料，将锌粉、锌铝粉、复合不锈钢粉和稀土氧化物混合均匀，得到混合料；将所述混合料与助渗剂分别贮存，待使用时按照比例混合。

所述一种钢铁构件防腐工艺包括：采用所述的多元素合金共渗剂和上述方法制备的多元素合金共渗剂在钢铁构件表面形成多元素合金共渗层。

所述多元素合金共渗剂在钢铁构件表面形成多元素合金共渗层的真空共渗防腐工艺包括如下步骤：

1)表面预处理按照如下进行：除去钢铁构件的表面油污，用直径为0.1～0.2mm的钢丸进行抛丸处理，露出金属表面；

2)将所述的多元素合金共渗剂和上述方法制备的多元素合金共渗剂置于密闭的共渗炉中，然后将钢铁构件包埋在所述多元素合金共渗剂中，设置共渗炉的旋转速度为1～5r/min，共渗炉安装有真空处理设备，真空度保持1～3Pa，将共渗炉加热至外部温度显示360～450℃，炉内设温度传感器测试共渗剂的温度为370～400℃、保温4～9h；

3)关掉电源，使共渗炉温度冷却至100℃以下，将炉胆推出自然冷却，打开炉盖，将钢铁构件与炉料分离，得到具有多元素合金共渗层的钢铁构件；

优选地，在步骤2)中，所述多元素合金共渗剂的质量与共渗炉的体积比为50～70kg:100L；

优选地，在步骤2)中，所述多元素合金共渗剂的质量与所述钢铁构件的比表面积比为500～1200kg:1m²；

优选地，在步骤2)中，将共渗炉加热至380～390℃的共渗温度、保温6～8h；进一步优选地，将共渗炉加热至385℃的共渗温度、保温7h；

优选地，在步骤3)中，所述多元素合金共渗层的厚度≥60μm。

所述的真空共渗防腐工艺，其中，在进行步骤3)之后，所述防腐工艺还包括对具有多元素合金共渗层的钢铁构件进行钝化和/或封闭处理。

所述钝化处理按照如下进行：

A.将所述具有多元合金共渗层的钢铁构件经水喷淋冲洗，彻底清除工件表面灰尘；

B.将经步骤A处理后的钢铁构件浸入稀释比例为10％～30％的钝化液中达40～60s进行钝化；

C.在步骤B的钝化完毕后，将钢铁构件在空气中搁置30～60min；

D.然后将钢铁构件投入清水中反复漂洗干净，之后在60～70℃下烘干；

优选地，在步骤B中，所述钝化液为市售无色或乳白色的无铬钝化剂，稀释比例为20％；

优选地，在步骤B中，将经步骤A处理后的钢铁构件浸入钝化液中达50s进行钝化；

优选地，在步骤D中，在62～69℃下烘干，更优选地在65℃下烘干；

所述封闭处理按照如下进行：向经钝化处理的钢铁构件喷涂或浸入水性单组分丙烯酸底面合一漆，进一步优选地，浸入时间1～5min，之后在140～160℃条件下烘干30～60min，封闭漆干膜厚度在10～20μm，所述水性单组分丙烯酸底面合一漆为市售水性单组份丙烯酸底面合一漆。

所述防腐工艺制得的钢铁构件，其中所述钢铁构件具有防腐层，所述防腐层包括与钢铁表面紧密结合的所述多元素合金共渗层、钝化层和封闭层，其中所述钝化层经钝化处理形成，所述封闭层经封闭处理形成；所述防腐层的总厚度≥70μm。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明的真空共渗工艺是一种清洁、环保的钢铁防腐新工艺，以多元素合金共渗剂为原料、在转动的、密闭的容器中加热被渗件，在真空条件下与共渗剂接触，通过相当复杂的物理、化学的反应过程，使共渗剂渗入钢铁制件表层，在基体表层形成致密均匀的锌铁铝比例不同的金属间化合物——锌铁铝合金渗层(简称共渗层)。

2、本发明通过优化渗剂配方、改性生产工艺等措施，研发出多元素锌铝合金共渗钝化复合防腐技术，解决了钢铁产品在实际使用中短时间出现锈蚀的问题，使渗层的耐中性盐雾试验延长到1000h以上。采用锌铝合金粉、锌粉、复合不锈钢粉等替代锌粉、铝粉，由于锌铝合金粉的熔点低于纯锌粉、纯铝粉，使得在同样的温度条件下，金属原子扩散更快，更易于渗入到铁基内，通过实际生产测试，在保持保温时间一样、渗层厚度一样的前提下，渗炉温度较渗锌炉温度低20～40℃。之后采取的钝化+封闭处理，可以使共渗工件表面更加致密，从而使处理后的工件的耐腐蚀性能提高至少1倍。

3、钝化处理过程不仅可以修补微细裂纹，还能在共渗层表面形成钝化膜，钝化膜可有效提高整个渗层的防腐性能。常用的钝化液包括：铬酸盐、钼酸盐、有机酸等溶液，但这些钝化液或含有重金属有害离子如Cr⁶⁺，或钝化效果不好。为此，本发明选用不含重金属离子的高效环保型钝化液，状态为无色或乳白色水溶液，主要成分含有高活性纳米硅元素，溶液为碱性，钝化时间短，通常在1min以内，常温钝化。

4、本发明采用的奥氏体不锈钢粉具有一定的漂浮性，能形成耐腐蚀性能优异，具有很强硬度的一层金属膜。同时，不锈钢粉的叠代、堆叠作用，形成多层结构，可以很大程度上提高金属膜的抗渗性，提高金属膜的耐久性。不锈钢粉防腐工件使用寿命长，钢件表面一般能够保持15年不损坏，减少维修的工作量。

5、本发明采用石英砂作为防粘结剂，氯化铵受热反应生成的氮气减缓共渗剂的氧化，提高共渗的效率。

附图说明

图1为实施例3的金相图；

图2为实施例3的扫描电镜图；

图3为对比例2的金相图；

图4为对比例2的扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的药材原料、试剂材料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

本实施例中，主要关键原料及其牌号与生产厂家信息如下：

锌粉：购自长沙天久金属材料有限公司，锌含量≥99.99％，300～400目。

铝锭：铝含量≥99.9％，中国有色金属工业华北供销公司；

锌锭：锌含量≥99.9％，中国有色金属工业华北供销公司；

不锈钢粉、铜粉、镍粉：购自长沙天久金属材料有限公司，300～400目；

三氧化二镧：50nm，南京埃普瑞纳米材料有限公司；

二氧化铈：50nm，南京埃普瑞纳米材料有限公司；

钝化液：无铬钝化剂，武汉迪赛环保新材料股份有限公司；

水性单组份丙烯酸底面合一漆：北京蓝色利文(化工)科技有限公司。

下述实施例中使用的锌铝粉通过如下方法制备：

1)按照配比准备锌锭、铝锭；

2)将锌锭、铝锭加入到熔炼炉，升温至600～700℃，待全部熔融后，充分搅拌，保温15～30min，除去表面浮渣，获得Zn-Al合金液；

3)在雾化罐内，用压力不低于0.9MPa的99.99％高纯氮气以250～350m/s速度喷吹步骤I-2得到的Zn-Al合金液，氮气喷吹方向与Zn-Al合金液流动方向呈80°～100°，使Zn-Al合金液雾化成微液滴，经冷凝器冷却，烘干，筛分得到粒径为300～400目的锌铝粉。

实施例1～7：多元素合金共渗剂

在实施例1～7中制备多元素合金共渗剂，各实施例中采用的原料组成见下表1(其中，1重量份＝1kg)。

具体的制备方法如下：

将除助渗剂(NH₄Cl和石英砂)之外的各原料按照表1所列配比混合均匀，得到混合料；将所述混合料与所述助渗剂分别贮存，用时按照比例混合，即得。

多元素合金共渗剂在钢铁构件表面形成多元素合金共渗层的真空共渗防腐工艺包括如下步骤：

1)表面预处理按照如下进行：除去钢铁构件的表面油污，用直径为0.1～0.2mm的钢丸进行抛丸处理，露出金属表面；

2)将多元素合金共渗剂和上述方法制备的多元素合金共渗剂置于密闭的共渗炉中，然后将钢铁构件包埋在多元素合金共渗剂中，设置共渗炉的旋转速度为1～5r/min，共渗炉安装有真空处理设备，真空度保持1～3Pa，将共渗炉加热至外部温度显示360～450℃，炉内设温度传感器测试共渗剂的温度为370～400℃、保温4～9h；

3)关掉电源，使共渗炉温度冷却至100℃以下，将炉胆推出自然冷却，打开炉盖，将钢铁构件与炉料分离，得到具有多元素合金共渗层的钢铁构件。

钝化处理按照如下进行：

A.将具有多元合金共渗层的钢铁构件经水喷淋冲洗，彻底清除工件表面灰尘；

B.将经步骤A处理后的钢铁构件浸入稀释比例为10％～30％的钝化液中达40～60s进行钝化；

C.在步骤B的钝化完毕后，将钢铁构件在空气中搁置30～60min；

D.然后将钢铁构件投入清水中反复漂洗干净，之后在60～70℃下烘干。

封闭处理按照如下进行：

向经钝化处理的钢铁构件喷涂或浸入水性单组分丙烯酸底面合一漆，浸入时间1～5min，之后在140～160℃条件下烘干30～60min，封闭漆干膜厚度在10～20μm，水性单组分丙烯酸底面合一漆为市售水性单组份丙烯酸底面合一漆。

表1

对比例1～6：多元素合金共渗剂

在对比例1～6中制备了多素元合金共渗剂，各对比例中采用的原料组成见下表2(其中，1重量份＝1kg)；

具体制备方法如下：

将除助渗剂(NH₄Cl和石英砂)之外的各原料按照表2所列配比混合均匀，得到混合料；将所述混合料和所述助渗剂分别贮存，用时按照比例混合，即得。

表2

测试例：各实施例和对比例对Q345钢的防腐和相关性能测定：

封闭层附着力：依据GB/T5210测试。附着力的大小可以代表渗层与基体的结合程度，数值越大，复合渗层耐磨、耐磕碰性等越好。

渗层显微维氏硬度：按照GB/T4340.1测试。

耐湿热性：按照GB/T1740测试，记录出现红锈时间。时间越长，耐湿热性能越好，说明防腐层耐候性优异。耐湿热性是评价钢件表面防腐层耐候性的重要指标之一。

中性盐雾试验：依据GB/T10125-2012《中性盐雾腐蚀试验》进行，记录出现红锈时间。时间越长，耐盐雾性能越好，说明抗氯离子腐蚀性能越优。

上述4项性能从渗层力学性能、耐候性等较全面地评价复合渗层的性能，更能模拟实际应用环境要求，具备推广价值。

测试结果见表3。

表3：各实施例和对比例的性能测定结果

与对比例1～6比较，本发明实施例1～6的复合防腐层具有优良的力学性能和防腐性能，封闭层附着力均≥4MPa，尤其是中性盐雾可达2000h以上，耐湿热性可达2000h以上，与对比例相比，有较大的优势。对比例4和6添加了马氏体不锈钢粉，得到的复合渗层的防腐性能较差。对比例3和5没有添加稀土氧化物，导致最终多元合金渗层各项性能大幅下降。对比例2由铝粉替代了锌铝粉，得到的复合渗层的防腐性能较差。

Q345钢基体的显微硬度在180～200左右，本发明实施例的渗层显微硬度均高于基体硬度，而对比例的渗层显微硬度低于基体硬度。由此可见，本发明实施例的渗层硬度有较大的优势。

此外，渗层厚度越大，与表面的结合越紧密，防腐性能越好。图1～2为本发明实施例3的金相图和扫描电镜图，图3～4为对比例2的金相图和扫描电镜图，通过图1～4的金相图和扫描电镜图对比，本发明实施例的总厚度在70μm以上，均匀且致密，与表面的结合紧密。

因此，本发明包括Zn、Zn-Al、复合不锈钢粉和稀土氧化物的多元素合金共渗+钝化+封闭复合防腐技术能够大幅提升钢铁件在自然环境中耐腐蚀能力，在隧道内、外、沿海地区均可实现有效防腐，极大延长使用寿命。

以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据发明做出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims (10)

1.一种钢铁构件用多元素合金共渗剂，其特征在于：以重量份计，所述多元素合金共渗剂包括锌粉20～40份、锌铝粉50～70份、复合不锈钢粉5～10份、稀土氧化物0.5～2份、助渗剂1～5份；

其中，以重量份计，所述锌铝粉中，Al占1％～6％，余量为锌；所述复合不锈钢粉包括奥氏体不锈钢粉、铜粉和镍粉，三种成分的重量比为(80～90):(5～10):(5～10)；以重量计，所述稀土氧化物包括40％～60％的三氧化二镧和40％～60％的二氧化铈，所述助渗剂包含50％～70％的NH₄Cl和余量的石英砂。

2.如权利要求1所述的一种钢铁构件用多元素合金共渗剂，其特征在于：以重量份计，所述多元合金共渗剂包括锌粉25～35份、锌铝粉55～65份、复合不锈钢粉6～9份、稀土氧化物0.5～2.0份、助渗剂1～4份；优选地，以重量份计，所述多元合金共渗剂包括锌粉25份、锌铝粉64份、复合不锈钢粉8份、稀土氧化物1份、助渗剂2份。

3.如权利要求1所述的一种钢铁构件用多元素合金共渗剂，其特征在于：以重量计，所述锌铝粉中，Al占3％，余量为锌；以重量计，所述助渗剂包含55％～65％的NH₄Cl，优选62％的NH₄Cl和余量的石英砂，石英砂的粒径为40～70目；所述奥氏体不锈钢粉选自304、304L、316、316L、302、308中的一种或多种，奥氏体不锈钢粉、铜粉和镍粉的粒径为300～400目。

4.如权利要求1所述的一种钢铁构件用多元素合金共渗剂，其特征在于所述锌铝粉通过如下方法制备：

1)按照配比准备锌锭、铝锭；

2)将锌锭、铝锭加入到熔炼炉，升温至600～700℃，待全部熔融后，充分搅拌，保温15～30min，除去表面浮渣，获得Zn-Al合金液；

3)在雾化罐内，用压力不低于0.9MPa的99.99％高纯氮气以250～350m/s速度喷吹步骤2)得到的Zn-Al合金液，氮气喷吹方向与Zn-Al合金液流动方向呈80°～100°，使Zn-Al合金液雾化成微液滴，经冷凝器冷却，烘干，筛分得到粒径为300～400目的锌铝粉。

5.权利要求1～4中任一项所述的一种钢铁构件用多元素合金共渗剂的制备方法，其特征在于：按照配比准备各原料，将锌粉、锌铝粉、复合不锈钢粉和稀土氧化物混合均匀，得到混合料；将所述混合料与助渗剂分别贮存，待使用时按照比例混合。

6.一种钢铁构件防腐工艺，所述工艺包括：采用权利要求1～4中任一项所述的多元素合金共渗剂或权利要求5的方法制备的多元素合金共渗剂在钢铁构件表面形成多元素合金共渗层。

7.如权利要求6所述的一种钢铁构件防腐工艺，其特征在于：真空共渗防腐工艺包括如下步骤：

1)表面预处理：除去钢铁构件的表面油污，用直径为0.1～0.2mm的钢丸进行抛丸处理，露出金属表面；

2)将权利要求1～4中任一项所述的多元素合金共渗剂或权利要求5的方法制备的多元素合金共渗剂置于密闭的共渗炉中，然后将钢铁构件包埋在所述多元素合金共渗剂中，设置共渗炉的旋转速度为1～5r/min，共渗炉安装有真空处理设备，真空度保持1～3Pa，将共渗炉加热至外部温度显示360～450℃，炉内设温度传感器测试共渗剂的温度为370～400℃、保温4～9h；

3)关掉电源，使共渗炉温度冷却至100℃以下，将炉胆推出自然冷却，打开炉盖，将钢铁构件与炉料分离，得到具有多元素合金共渗层的钢铁构件；

其中，在步骤2)中，所述多元素合金共渗剂的质量与共渗炉的体积比为50～70kg:100L；所述多元素合金共渗剂的质量与所述钢铁构件的比表面积比为500～1200kg:1m²；在步骤3)中，所述多元素合金共渗层的厚度≥60μm。

8.如权利要求6所述的一种钢铁构件防腐工艺，其特征在于：在进行步骤3)之后，所述防腐工艺还包括对具有多元素合金共渗层的钢铁构件进行钝化和封闭处理。

9.如权利要求8所述的一种钢铁构件防腐工艺，其特征在于所述钝化包括以下步骤：

A.将所述具有多元合金共渗层的钢铁构件经水喷淋冲洗，彻底清除工件表面灰尘；

B.将经步骤A处理后的钢铁构件浸入稀释比例为10～30％的钝化液中达40～60s进行钝化；所述钝化液为市售无色或乳白色的无铬钝化剂；

C.在步骤B的钝化完毕后，将钢铁构件在空气中搁置30～60min；

D.然后将钢铁构件投入清水中反复漂洗干净，之后在60～70℃下烘干；

所述封闭处理如下：向经钝化处理的钢铁构件喷涂或浸入水性单组分丙烯酸底面合一漆，浸入时间1～5min，之后在140～160℃条件下烘干，封闭漆干膜厚度在10～20μm。

10.一种采用权利要求9中所述的一种钢铁构件防腐工艺制得的钢铁构件，其特征在于：所述钢铁构件具有防腐层，防腐层包括与钢铁表面紧密结合的多元素合金共渗层、钝化层和封闭层，其中钝化层经钝化处理形成，封闭层经封闭处理形成；防腐层的总厚度≥70μm。

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