CN1166536A - 一种表面覆铝的钢材、铁基工件及其覆铝方法 - Google Patents

Abstract

一种表面覆铝的钢材、铁基工件及其覆铝方法，属金属表面处理领域，其技术特征是将工件做除油、除锈净化处理后，放入真空镀膜设备中，在其表面镀一层铝金属膜，并进一步使铝金属膜外表面氧化，使铝金属膜的内表面与铁元素相互扩散、渗透，从而形成Al₂O₃、Al、Fe₂Al₅、铝-铁扩散层、铁基材的覆层结构。本发明比传统热浸镀铝可减少能耗、减少环境污染、提高钢材的抗腐蚀能力及耐高温性。

Description

一种表面覆铝的钢材、铁基工件及其覆铝方法

本发明涉及一种表面覆铝的钢材(铁基工件)及其覆铝方法。上述钢材指碳素钢、合金钢、铸钢、铸铁以及上述材质加工的工件。

本发明所属技术领域为金属的表面处理。

由于表面覆铝的钢材具有优良的耐蚀性和高温抗氧化性，因而在各个领域得到广泛的应用，并被称为高效钢材。而加工这种钢材通常采用热浸镀铝的工艺，其流程如下：

钢材、工件→净化(除油、除锈)→前处理→预热工件→热浸镀(熔融铝液中)→后处理→成品

上述工艺由于要将钢材(含碳素钢、合金钢、铸铁、铸钢、通常所说的铁及上述材质制成的工件。以下文中均与此相同)加热，并要在熔池中加热数量足够多的金属铝为熔融的液态，铝在高温中与空气极易氧化，又需在铝液表面敷一层隔离熔剂，隔离融剂在工件浸镀时又会污染成品，浸镀后又需使用大量化学药剂作后处理以清除污染。中国专利87104455。2号“稀土—铝合金热浸渗铝”88105152。0号“热浸镀铝用药品后处理剂”两篇公知文献大致概括了本领域的基本方法。

采用上述方法需耗用大量的热能，同时需耗用大量的化学药剂对工件进行前、后处理，其废气、废液均要污染环境。同时当工件浸入铝液中后，部分铁元素分子会溶入铝液中，降低熔池中铝的纯度，改变铝膜料的成分配比。文献表明，通常熔池中的铝液含有大约2％左右的铁元素，这均将降低工件表面覆铝金属膜的纯度，影响成品的抗蚀能力，并且过量的Fe元素溶入铝液中，将使整池的铝液报废。大量的耗能、耗材及治理污染的费用，使得热浸镀铝钢材价格昂贵。目前工业发达国家生产的热浸镀铝钢材的价格远远超过不锈钢，从而使得上述钢材的使用推广受到较大的阻力。

本发明提供一种节省能源、极少污染环境、减少原料消耗、加工费用低的钢材覆铝新工艺，并且采用此工艺加工的覆铝钢材的覆层与热浸镀铝钢材的覆层在结构上有显著区别。

本发明采用的方法是将钢材(工件)做除油、除锈净化处理，再使用去离子水或纯水清洗，然后迅速对工件进行鼓风干燥，将工件置于真空镀膜设备(例如已公知的真空蒸镀、真空溅射镀膜、真空离子镀膜……设备)的真空室中，在工件表面镀一层纯铝(其它元素含量不大于2％的铝、通常采用工业纯铝)金属膜，使Al元素在钢材表面上每平方米的附着量为Q_M＝50～250G/M²，再进一步使Fe元素与Al元素在其界面间相互扩散、渗透，形成一种铁—铝扩散层(Fe、Al固溶体)及铁—铝间化物(Fe₂Al₅)合金层，使铝金属膜的外表面迅速氧化，生成致密的氧化铝(Al₂O₃)层，从而使工件表面从里到外形成铁基材、铁—铝扩散层、铁—铝合金层、铝金属层、氧化铝层的渐化过渡结构。

上述使铝金属膜外表面氧化及铝、铁间的扩散渗透可以采用如下三种方法：(1)在自然环境中自行进行。(2)在含O₂气氛中加热工件。(3)真空镀铝工作结束后，在维持真空室内的真空环境下向真空室内充入氧气。现分述如下；

(1)使用真空镀膜设备镀铝后的工件，从真空室中取出后可以置于自然环境中，使铝金属膜的外表面氧化而生成氧化铝膜。同时在自然环境中铝、铁间元素继续进行扩散、渗透而最终达到平衡。

(2)将镀铝后的工件置于加热设备(电炉、燃气炉、燃煤炉、燃油炉、中频或高频电磁感应加热设备)中，在工件接触含O₂气氛的情况下加热工件到一定的温度(80～660℃)。加热会加速铝金属外表面的氧化及铝、铁元素间的扩散、渗透。

(3)在真空镀铝的最后，即纯铝料停止喷发，真空室仍然处于真空状态时，向真空室内缓慢充入氧气(大于10帕)，并保持一定时间(大于两分钟)，这将加速Al₂O₃的生成，并且氧化铝膜的杂质极少。对于使用真空溅射镀膜或真空离子镀膜设备进行真空镀铝的，在真空镀铝的最后，即纯铝料停止喷发，真空室内仍然处于真空状态时，向真空室内充入O₂气至10^-1～10¹帕，然后再次使真空室内产生辉光放电，并使纯铝料再次溅射镀膜，这也将在已镀好的纯铝膜上迅速覆盖一层Al₂O₃膜，并且氧化铝膜的杂质极少。

在上述加热中，如使用电磁感应(中频或高频)加热设备对镀铝后的工件加热时，则由于感应电流的集肤效应，仅仅加热工件的表面，即铁、铝元素的界面附近区域，从而使本发明更为有效。

实验表明：铁基(指以铁元素为基本构成的)工件置于真空镀膜设备的真空室中镀铝时，在真空环境中，铝金属原子很容易受能量激发而逸出，成为具有一定动能的原子态(含活性很强的离子态)铝，其在真空室中极易进入铁基材表面的Fe元素引力场范围，与铁基材相互吸附而产生缔合，缔合的结果形成晶核，而当逸出的铝元素足够多时，其不断地冲射到晶核上，使晶核长大、结合，形成一种网膜，当网膜不断累积增大并达到一定的厚度，就形成连续性薄膜。与成膜过程同时进行的是铝原子(或铝离子)一吸附到铁基材上就同时发生铁、铝元素间的相互扩散、渗透，其结果在铁、铝界面间形成铁、铝固溶体及铁—铝间化合物。

图1是采用本工艺方法所得到的铁基材表面覆铝结构图。

图1中，1是氧化铝层(Al₂O₃)。2是纯铝(其它元素含量不大于2％、通常采用工业纯铝)层。3是铝—铁间化合物(Fe₂Al₅合金)层。4是铝—铁扩散层。5是铁基材。

采用本工艺方法所得到铁基材覆铝结构层与热浸镀铝工艺所得到的铁基材覆铝结构层相比，前者的铝—铁化合物层及铝、铁固溶体层的组织结构比较细密，夹杂的其它元素较少，纯铝层的纯度较高并可有目的地设计其掺杂元素的配比，从而改善覆铝钢材的性能。

本发明工艺与已公知的钢材热浸镀铝工艺相比还具有如下的优点：

1、摒弃了加热足够数量的熔融金属纯铝而待用的方法，而采用在真空环境下按实际所需覆铝量，随机加热纯铝料进行镀铝。显而易见，本发明可较大地节省能源、铝的有效利用率高、减少铝的废弃，因而也减少了使用能源、铝材时对环境造成的污染。

2、加工费用少，真空镀膜设备的成本及运行、维护费用远远低于熔铝装置的设备成本及运行、维护费用。从而较大地降低覆铝钢材的成本。

3、钢基材在覆铝的前、后由于无需使用化学药剂作前、后处理(某些热浸镀铝工艺，在工件浸铝前要求使用化学药剂进行活化处理)减少了对环境造成的污染。

4、钢基工件覆铝时，工件首先处于真空状态之下，而一般真空镀膜设备的真空室均可达到1×10^-6托的真空度，工件处于这种环境之中，吸附在工件表面的水分、空气及空气中所含的O₂、N₂、CO₂、HS……各种气体分子会被彻底抽走，并且固溶于铁基材晶格中的各种气体分子(该部分气体分子，在常压下仅靠加热铁基工件是很难从铁基材的晶格中除去的)也会从晶格中逸出。这就使得铁基工件的表面净化比较彻底，使得真空镀铝时铁、铝元素间的相互吸附、渗透、扩散比较容易，并且层面间N、C、S等元素杂质少，从而提高了覆铝铁基材耐蚀性及耐高温性。

5、本工艺方法由于铝熔料几乎不受工件及环境的影响而改变成分，因此可以预先设计纯铝层的元素成分配比而进行覆铝，以改善铁基材表面的性能。

以下是几种较易实现的实施例，现结合附图说明如下：

实施例1、使用真空蒸发镀膜设备对铁基材(工件)覆铝。

图2是钢窗在真空室内的镀铝示意图。

图3是钢板在真空室内的镀铝示意图。

图4(1)是高压锅(钢基材料)在真空室内对锅内腔的镀铝示意图。

图4(2)是高压锅(钢基材料)在真空室内对锅外表面的镀铝示意图。

在图2、图3、图4(1)、图4(2)中，1是真空室、2是导电杆、3是工件、4是加热器、5是工件支持架。

本实施例中，将工件预先做除油除锈处理(目前已知的方法，如：碱溶液除油、电解除油、有机溶剂除油、合成洗涤剂除油、酸浸蚀除锈、一步法除油除锈等均可使用)。净化处理的最后工序使用去离子水(或工业纯水)清洗工件，工件干燥(工件上无明显可见水分)后将工件置于真空蒸发镀膜设备的真空室内进行真空蒸发镀铝。而真空室内加热器上的铝膜料可以选用纯度不低于98％的纯铝金属(一般情况下选用工业纯铝较为方便易行，选用工业纯铝已能满足本发明目的的实现)，其形状为丝、棒、片、粒均可使用。

为了进一步提高本发明覆铝钢材的性能，也可以自行设计覆铝膜料的配方。例如，预先制作铝膜料，在铝金属中添加稀土元素，其配方如下表所示：

序    号	稀土元素	铝金属	其它元素
				1	钇0.05-1％	99-98％	1.95-1％
2	锶0.05-1％	99-98％	1.95-1％
				3	钍0.05-1％	99-98％	1.95-1％

工件表面覆铝膜的厚度控制，可以预先计算所需铝膜料的数量来进行。铝膜料置入真空室内的数量，按照下列公式计算：

        m_Al＝Q_MS(1+P)    克其中：Q_M＝50-250克/米²每平方米工件表面的铝附着量。

S工件实有表面积。(米²)

P设备运行时的铝膜料损失率，该参数取决于真空室内的设备表面积及真空室的大小，对于每台设备为一常数，可用实验方法求得，其单位是克/米²。

钢基材工件在真空室内完成镀铝后，依照下述方法对工件上的铝膜进行氧化、扩散渗透处理：

(1)取出工件，将其置于干燥自然环境中使铝金属的外表面在空气中氧化，生成致密的Al₂O₃层，同时铝金属元素与铁基材元素继续进行扩散渗透，直至达到新的平衡。

(2)也可以将镀铝后的工件置入加热炉(可以是电加热炉、燃气炉、燃油炉、燃煤炉或者中频、高频电磁感应加热设备)内，在含O₂气氛中(如：通常的自然环境中或其它)加热工件至80～660℃的任一温度，再使工件降温至常温。采用加热的方法，可以促进铝金属外表面的氧化及Al、Fe元素间的相互扩散渗透。

如使用中频或高频电磁感应加热设备，在通电加热时，由于感应电流的集肤效应，仅仅加热铁基材(工件)的表面(即铁、铝间界面区域及铝金属层)，因此比其它加热方法耗能低、加热效率高。为进一步提高加热效率，可以将该设备的功率输出感应线圈的形状做成与工件表面相吻合的形状，这将使感应电流的集肤效应处于最佳状态，可更有效地利用能源，并提高加热效率。

(3)在真空蒸发镀铝的最后，停止对铝膜料的加热，关闭真空室的抽气阀，然后缓慢地向真空室内充入氧气(大于10帕)，并保持一定时间(大于2分钟)。则可生成致密的Al₂O₃膜。

显然，与钢窗相近似的工件(如：防盗门、隔离栅、铁塔构件、钢珩架、等)、与高压锅相近似的工件(如碟形工件、杯形工件、茼形工件、等)均可采用本实施例的方法进行覆铝。

真空蒸发镀膜设备的使用及操作，依照该设备的使用说明书及设备生产厂的培训来进行。

实施例2、使用真空溅射设备对钢基材(工件)覆铝。

图5(1)、图5(2)是板钢材在真空室内覆铝示意图。图8(1)是板钢材穿过真空室侧壁时的密封结构示意图，图8(2)是其侧视图。

图6(1)、图6(2)是线钢材(或管钢材)在真空室内的覆铝示意图。图9(1)是线钢材(或管钢材)穿过真空室侧壁时的密封结构示意图，图9(2)是其侧视图。

图5(1)、图5(2)、图6(1)、图6(2)、图8(1)、图8(2)、图9(1)、图9(2)中，1是真空室、2是铝膜料制作的溅射靶、3是工件、4是溅射电极、5是密封件[图11是件5的放大图，图中的斜面(或者圆锥面)14与下述的斜面(或者圆锥面)13相吻合]、6是除锈槽、7是清洗间、8是干燥室、9是加热炉、10是工件驱动装置、11是电磁测厚仪、B是工件前进方向。12是真空室的侧壁、13是侧壁上加工出的与B方向有一夹角的斜面(或者圆锥面)，D是加在5上的作用力，在D的作用下，由于斜面13而产生一垂直于B方向的分力使件5变形，紧密夹持工件3，同时5与13紧密配合，则可有效的起到密封作用。

覆铝时，首先使真空室1处于1×10^-4托的真空，然后通过阀门12向1内充以氩气(10^-1～10¹帕)，在2、4间施加5000伏的直流电压，从而在1内形成持续的辉光放电，溅射靶2则在氩离子的冲击下喷射出铝，沉积工件上。与此同时工件3在10的驱动下沿B向匀速运动。在此过程中，只要维持加在5上的D向力的恒定，就可以有效地起到密封作用，维持1的真空度而使溅射连续进行，直至溅射靶耗尽。显然，在1中设置n(n为正整数)个溅射靶2及4，则这n个靶无论是同时溅射还是单个轮流溅射，都将使覆铝的连续过程延长，并提高工效。

本实施例中，工件表面的覆铝厚度，按每米²钢材表面积的铝附着量Q_M＝50～250克/米²来进行加工。可以使用电磁测厚仪11测量工件表面的铝膜厚度，来调节工件的运动速度、溅射电流大小，最终使工件的覆铝附合要求。

从真空室中引出的工件，其铝膜的氧化、扩散渗透方法，按照实施例1的方法进行。

另外，对于本实施例(即使用真空溅射镀膜设备的)的关于铝膜氧化方法，还可以采用充氧再次溅射的方法，其操作是：工件的镀铝是按段在真空室内断续进行的，在每段工件真空溅射镀铝的最后，即停止铝膜料的喷发后，向真空室内充入氧气使其压强为10^-1～10²帕之间，然后再次启动设备，在真空室内产生辉光放电，使铝膜料喷发，则工件的铝膜上将溅射上一层氧化铝膜。

不言而喻，对于真空室内可容下的工件，在其使用真空溅射镀铝时，上述方法是同样可行的。

关于真空溅射镀膜设备的使用、操作，按设备制造厂的产品使用说明书及其培训进行。

显然，横截面为其它形状的线钢材(例：槽钢、角钢、方钢、六方钢、扁钢、等)，只要改变密封结构中密封件及与密封件紧密配合的侧壁上的密封面的相应形状，均可以使得真空室保持密闭，从而均可以采用本实施例的方法覆铝。

图7(11)是角钢穿过真空室侧壁时的密封结构示意图，图7(12)是其侧视图。图7(21)是槽钢穿过真空室侧壁时的密封结构示意图，图7(22)是其侧视图。

图7(11)、图7(12)、图7(21)、图7(22)中，3是工件、5是密封件(图11是件5的放大图、图中的斜面14与下述的斜面13相吻合)、12是真空室的侧壁、13是侧壁上加工出的密封面，其与工件运动方向B有一夹角。D是加在5上的作用力。维持D的一定大小及恒定，则由于斜面13的作用，产生一垂直工件3运动方向B的分力，使件5变形紧密夹持件3，同时件5与件13紧密配合，从而可有效地使真空室保持密封。

实施例3、使用真空离子镀膜设备对钢基材的覆铝。

真空离子镀膜实质是真空蒸发镀膜与真空溅射镀膜的综合。

图10是机动车的尾气管在真空离子镀膜设备真空室中的镀铝示意图。其中，1是真空室、2是电热蒸发源(阴极)、3是工件、4是电极(阳极)5是铝膜料(置于2中、阴极)6是抽气口、7是充气口、8是直流电压发生器、9是蒸发源档板、10是加热源控制装置、11是交流电源。

镀铝时，工件挂在阳极上，并可靠导通成为阳极的一部分，关闭7，打开6，真空室抽真空到10^-4托，然后关闭6，打开7向真空室内充入惰性气体(例：氩、氖、氦均可)氩气为10^-1～10²帕，关闭7后，在4与2间施加2000～5000伏直流电压使1内产生持续的辉光放电，先使工件表面溅射净化，再打开挡板9，加热蒸发源2，使铝膜料蒸发并在溅射的状况下沉积在工件表面。

真空离子镀膜的覆铝厚度控制，可以按实施例1的方法进行。并使每米2钢材表面积的铝附着量Q_m＝50～250克/米²。

真空离子镀膜设备的操作，按设备制造厂提供的产品使用说明书及培训进行。

从真空室内引出的工件，其铝膜的氧化、扩散渗透方法，按照实施例2的方法进行。显然，对本实施例中的真空室1，仿照实施例2中真空室侧壁上的密封结构加以改造，并仿照实施例2配置真空室外的设备，则可使用真空离子镀膜设备对板钢材及线钢材等超长工件，进行连续地真空离子覆铝加工。

Claims (10)

1、一种表面覆铝的钢材、铁基工件及其覆铝的方法；其特征是将钢材、工件做除油除锈净化处理，置入真空镀膜设备(真空蒸发镀膜设备、真空溅射镀膜设备、真空离子镀膜设备、等已公知的设备均可使用)的真空室内，在钢材、工件的表面镀一层纯铝金属薄膜，再进一步使铁基材中的Fe元素与铝薄膜中的Al元素在铝、铁界面间相互扩散渗透，使纯铝薄膜的外表面氧化，生成致密的氧化铝(Al₂O₃)层，从而在铁基材上从外到内形成为Al₂O₃、纯铝金属、铁铝金属间化物(Fe₂Al₅)、铁铝固溶体、铁基材的多层次渐化过渡的覆层结构。

2、权利要求1中所述的覆铝钢材、工件；其特征是纯铝金属膜中铝元素含量不少于98％。通常情况下，纯铝为工业纯铝。

3、权利要求1中所述的覆铝钢材、工件；其特征是纯铝金属膜中含有不少于0.05％的稀土元素。

4、权利要求1及2中所述的覆铝钢材、工件；其特征是铁基材表面单位面积的铝附着量为：Q_M＝50～250克/米²。

5、权利要求1中所述铝薄膜外表面氧化及铝铁间扩散渗透方法；其特征是将真空镀铝后的钢材、工件置于自然环境中，使铝薄膜外表面氧化，并使铁、铝元素相互扩散渗透。

6、权利要求1中所述的铝薄膜外表面氧化及铝铁间扩散渗透方法；其特征是将真空镀铝后的钢材、工件置于加热炉(电加热炉、燃煤炉、燃气炉、燃油炉、中频或高频电磁感应加热设备均可使用)中加热，温度升到80～660℃的任一点，同时使钢材、工件与空气或含氧气体相接触，然后使钢材、工件冷却。

7、权利要求6中所述的中频或高频电磁感应加热设备；其特征是该设备的电磁感应线圈的形状与被加热工件的表面形状相吻合。

8、权利要求1中所述的纯铝金属膜的外表面氧化方法；其特征是在真空镀膜的最后，即铝膜料停止喷发，真空室仍然处于真空时，关闭抽气阀，打开充气阀，向真空室内充入氧气(大于10^-1帕)。

9、权利要求1中所述的铝金属膜的外表面氧化方法；其特征对于溅射镀膜和离子镀膜来说是在镀铝的最后，即铝膜料停止喷发时，打开充气阀，向真空室内充入氧气(10^-1～10²帕)，然后再次使真空室内产生辉光放电，使铝膜料再次溅射，在工件表面覆盖一层Al₂O₃。

10、权利要求1中所述的真空蒸发镀膜设备、真空溅射镀膜设备及真空离子镀膜设备；其特征是真空室的壁上设置有可让超长工件穿过的孔及密封结构，密封结构由真空室的壁上加工出的密封面及可与工件横断面周边形状密切吻合、又可与密封面紧密配合的密封件构成。

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