CN117305758A - 一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢材表面处理技术领域，具体涉及一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层和制备方法，包括如下重量百分含量原料，Na₂B₄O₇ 60.2~73.7%，Na₃AlF₆ 5~8%，Al粉7~10%，NaF 3~5%，助熔剂NaCl 1‑3%，V₂O₅ 10~13%，CeO₂ 0.3~0.8%；本发明的涂层具有良好的耐磨耐蚀性能。

Description

一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层和制备方法

技术领域

本发明属于钢材表面处理技术领域，具体涉及一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层和制备方法。

背景技术

随着新能源、精细化学化工、粉末冶金等产业的快速发展，加快产能升级与实现自动化控制成为当务之急，加之智慧工厂或智能产线对产品一致性、生产效率要求提升，粉体高速传输是现代智能工厂的重要部分。在粉体高速搅拌、高速传输过程中，粉末或其浆料对钢罐体、钢管道进行快速冲击或持续腐蚀，一方面易使钢材快速磨损失效、腐蚀失效，另一方面易导致粉末中引入钢铁粉末杂质。总之，在这些服役环境中，钢罐体、钢管道常常受到腐蚀性液体、粉体运输以及高温金属液体的腐蚀与冲刷磨损，严重降低了钢管的使用寿命，需要花费大量的人力和物力进行维修更换。因此，如何提高钢罐体、钢管道等钢材表面的耐磨、耐蚀性能是一个持久且必要的课题。

对钢材进行表面处理被认为是提高强度和耐磨损性能的有效途径，目前针对钢材的表面处理主要包括有电镀、渗铸、热喷涂等，但目前这些方法均存在涂层硬度较低、均匀性较差以及易于脱落等问题。例如采用热喷涂方式在钢材表面喷涂一层铬或镍等合金粉末作为耐磨耐蚀涂层，虽然涂层制备方式简单，但金属涂层易在水中形成原电池，加剧局部腐蚀，同时，喷涂的铬、镍涂层硬度较低，抗磨性能较差，耐粉末冲刷能力难以达到要求，且涂层对钢材的保护年限较短。而高温热扩散盐浴法，是一种在钢材表面制备涂层的方法，相较于物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、激光表面处理、表面镀金属、渗碳、渗氮等其他表面处理方式，高温热扩散盐浴法处理后的涂层拥有更高的硬度、更好的耐磨性能，同时基体与覆层之间为冶金结合，结合强度更高，达到E-7结构胶强度极限(86MPa)之上，更耐剥落。随着粉体传输行业对特种粉体或料浆种类的扩大以及对自动传输效率提升的需求，现有涂层难以满足日益严苛的工作要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层和制备方法，本发明的涂层具有良好的耐磨耐蚀性能。

本发明实施例提供一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂料，包括如下重量百分含量原料，Na₂B₄O₇60.2~73.7%，Na₃AlF₆5~8%，Al粉 7~10%，NaF 3~5%，助熔剂NaCl 1-3%，V₂O₅10~13%，CeO₂0.3~0.8%。

优选的，包括如下重量百分含量原料，Na₂B₄O₇66~67%，Na₃AlF₆6~7%，Al粉 8~9%，NaF4~4.5%，助熔剂NaCl 1.5-2%，V₂O₅11.7~12.6%，CeO₂0.3~0.4%。

本发明提供一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层，采用所述的粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂料，通过高温热扩散盐浴法得到，涂层的厚度为20-50μm，涂层内部无孔隙、明显裂纹等缺陷且与钢基材呈现冶金结合。

本发明提供一种所述的粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括如下步骤，将待加工件置于盐浴剂中保温一段时间（一般为2-4h），所述盐浴剂为Na₂B₄O₇、Na₃AlF₆、Al粉、NaF和助熔剂NaCl的混合物，所述盐浴剂的温度为800-880℃；然后添加V₂O₅和CeO₂，升温至880-940℃（保温时间为4-8h），进行高温热扩散盐浴渗钒处理，得到粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层。

优选的，所述待加工件为去除油污和氧化层的钢基材。去除的方式一般为对钢基材表面用金相砂纸进行打磨，其目的在于去除表面油污和氧化层，随后用酒精清洗吹干。

优选的，所述钢基材包括但不限于碳钢、高速钢或45#钢。

优选的，所述盐浴剂的温度为850-870℃，添加V₂O₅和CeO₂后，升温至930-940℃。

优选的，待加工件置于盐浴剂前，对待加工件进行预热，预热的温度为400-500℃，保温时间为30min。待加工件置于盐浴剂前，盐浴剂在800-880℃保温一段时间，一般为1-2h。

优选的，待加工件置于盐浴剂中保温过程中，以及进行高温热扩散盐浴渗钒处理时，对盐浴剂进行搅拌，确保涂层的均匀性。

优选的，升温至880-940℃的升温速度为2℃/min。

本发明的相关反应方程式如下：

2Al＋12F－+3/>(1.1)

3＋2Fe=2Fe（Al）＋12F－＋/>(1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

采用高温热扩散盐浴法在钢材表面制备铝钒共渗复合涂层。首先，Na₂B₄O₇、Na₃AlF₆、Al、NaF和助熔剂NaCl经过加热熔化后，熔融的Na₃AlF₆、NaF和Al之间发生反应（1.1）和反应（1.2），原子Al与Al^3＋离子反应生成的Al^1＋活性离子吸附到基体材料表面，然后向内部扩散形成渗铝层。

当加入V₂O₅和催渗剂CeO₂时，硼砂作为活性金属原子存在和传输的载体，而在熔融状态下，硼砂会发生分解反应（1.3），生成偏硼酸钠和硼酐，然后由Al作为还原剂发生反应（1.4）将V₂O₅中的V元素还原出来，扩散进入钢材表面沉积；与此同时，钢基体的游离碳沿着渗铝形成的扩散通道，与活性钒原子发生反应（1.5）形成碳化钒层。

外层高硬度碳化钒层显著提高了钢材的耐磨性能，而内层铝化物层使得钢材具有优越的耐蚀性能，因此该涂层方案既提高了钢材的耐腐蚀性能，也提升了钢材的耐磨损性能。

本发明的有益效果是，本发明的基于钢材表面利用高温热扩散盐浴法制备铝钒共渗复合涂层，克服了先进表面处理方式如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等成本高、尺寸小、内腔难施镀等问题，克服了传统表面处理方式如电镀、热喷涂等存在的涂层硬度较低、均匀性较差以及易于脱落等问题，同时，在钢材表面制备的铝钒共渗复合涂层不仅具有出色的耐蚀性能，也具有优异的耐磨性能，解决了单一功能涂层难以兼顾耐磨、耐蚀和耐粉体冲刷等性能，有效提升了粉体传输用钢的使用寿命，并且该方法工艺简单，能满足多种实际生产需求，具有广阔的工业化应用前景。

附图说明

图1为高温热扩散盐浴法中所使用的盐浴炉及其示意图。

图2为实施例1、2以及对比例的表面形貌图(电镜图)。

图3为实施例1、2以及对比例的截面形貌图(电镜图)。

图4为实施例1、2以及对比例的摩擦磨损后的表面形貌图(电镜图)。

图5为实施例1、2以及对比例的滑动摩擦系数对比图。

图6为实施例1、2以及对比例的静态腐蚀后表面形貌图(电镜图)。

具体实施方式

实施例1

在钢基材表面采用高温热扩散盐浴法制备铝钒共渗复合涂层，具体步骤如下：

1、将M35高速钢经线切割成200×200×4mm的正方形试样，并对其表面进行砂纸打磨，以去除基材表面油污和氧化层，随后用酒精清洗吹干。

2、称取67wt.%的Na₂B₄O₇、6wt.%的Na₃AlF₆、8wt.%的Al粉、4wt.%的NaF和2 wt.%的NaCl助熔剂，混合均匀并以5 ℃/min的速度加热至870℃，保温1.5 h，待盐浴反应充分后进行高温热扩散盐浴处理。

3、将步骤1中预处理之后的试样在温度为460℃的惰性气氛炉中分别保温30 min，随后置入盐浴炉中，在870℃下保温4h，在高温热扩散盐浴渗铝处理过程中每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，保持盐浴的流动性以保证在试样表面的活性金属原子的充足供应，确保渗铝涂层的均匀性。

4、往步骤3中添加剩余的12.6wt.%V₂O₅和0.4wt.%CeO₂物料，采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，将炉温继续以2℃/min升高至930℃，保温时间为6h，每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，保持盐浴的流动性以保证在试样表面的活性金属原子的充足供应，确保渗钒涂层的均匀性。

使用的设备如图1所示，设备包括炉膛2，炉膛的四周为炉壁1，炉膛2内部设置有坩埚4，盐浴剂和待加工材料都置于坩埚4进行处理，坩埚4上方设置有炉盖5，通过深入到坩埚4内的测温热电偶3进行测温，控制温度。

通过高温热扩散盐浴法制备的铝钒共渗复合涂层的表面微观形貌如图2所示，从图2中可以看出涂层表面光滑平整、无明显裂纹与孔隙。

从图3涂层截面的微观形貌可以看出，铝钒共渗涂层分为明显的两层，厚度大约为35μm，涂层内部无大裂纹与气孔杂质等缺陷，外层为碳化钒层，内层主要成分为富铝层，且与基材之间连接紧密，无明显缺陷，基材与扩散层界面结合良好。

涂层经摩擦磨损后表面形貌如图4所示，从图中可以清晰地看出在磨痕附近的磨屑较少，磨痕颜色加深且磨痕较浅，因此涂层样品在摩擦磨损测试过程中发生了氧化磨损。

图5为其摩擦系数曲线图，对比发现实施例1的摩擦系数仅为0.258，明显低于对比例1的0.501，说明铝钒共渗复合涂层大幅提高了钢材的耐磨性能。

进一步对其进行600h铅液腐蚀测试，腐蚀后形貌如图6所示，从图中可以看出经过600h铅液腐蚀后，涂层表面仍存在一层氧化膜保护层，仅在局部区域出现腐蚀孔洞，说明涂层能有效提升钢基材的耐腐蚀能力。

最后，对处理后钢板进行高速粉末冲击试验，采用精度为0.01g的精密电子秤称重后，置于高速粉末冲击试验箱中，粉末喷枪气压为0.7MPa、喷砂时间1h，试验后称重。对比试验前后重量变化，发现质量减少仅为0.27g，相较不做涂层的基体样品失重4.9g有显著提升，失重减少约18倍。

实施例2

在钢基材表面采用高温热扩散盐浴法制备铝钒共渗复合涂层，具体步骤如下：

1、将M35高速钢经线切割成200×200×4 mm的正方形试样，并对其表面进行砂纸打磨，以去除基材表面油污和氧化层，随后用酒精清洗吹干。

2、称取66wt.%的Na₂B₄O₇、7wt.%的Na₃AlF₆、9wt.%的Al粉、4.5wt.%的NaF和1.5 wt.%的NaCl助熔剂，混合均匀并以5℃/min的速度加热至850℃，保温1.8h，待盐浴反应充分后进行高温热扩散盐浴处理。

3、将步骤1中预处理之后的试样在温度为450℃的惰性气氛炉中分别保温30min，随后置入盐浴炉中，在860℃下保温3h，在高温热扩散盐浴渗铝处理过程中每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，保持盐浴的流动性以保证在试样表面的活性金属原子的充足供应，确保渗铝涂层的均匀性。

4、往步骤3中添加剩余的11.7wt.%V₂O₅和0.3wt.%CeO₂物料，采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，将炉温继续以2℃/min升高至940℃，保温时间为8h，每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，保持盐浴的流动性以保证在试样表面的活性金属原子的充足供应，确保渗钒涂层的均匀性。

通过高温热扩散盐浴法制备的铝钒共渗复合涂层的表面微观形貌如图2所示，从图中可以看出涂层表面较为光滑平整、无明显裂纹与孔隙。

从图3涂层截面的微观形貌可以看出，铝钒共渗涂层分为明显的两层，层与层之间无明显分隔，厚度大约为30μm，涂层内部无大裂纹与气孔杂质等缺陷，外层为碳化钒层，内层主要成分为富铝层，且与基材之间连接紧密，无明显缺陷，基材与扩散层界面结合良好。

涂层经摩擦磨损后表面形貌如图4所示，可以看出在涂层表面的磨屑较少，在磨痕深处由于剪切、撕裂等作用产生的片状剥落，且磨痕颜色变深，表明涂层试样在摩擦磨损测试过程中发生了氧化磨损和疲劳磨损。

图5为其摩擦系数曲线图，对比发现实施例2的摩擦系数仅为0.282明显低于对比例的0.501，摩擦曲线先增加，后逐渐减小，推测在磨损过程中，随磨损时间增加，磨损产生的磨屑逐渐被压入到磨槽底部导致磨槽表面粗糙度的增加，在干摩擦过程中摩擦系数也因此增加，但碳化钒涂层的硬度高，因此磨屑被压入量较少，摩擦系数的改变也较小。

如图6所示为涂层试样600h铅液腐蚀测试结果，从图中可以看出经过600h铅液腐蚀后，涂层表面仍较为平整，局部出现部分点蚀和凹坑，说明铅液对涂层有轻微的侵蚀，但由于涂层内层富铝层不断形成Al₂O₃膜，对钢基材起到很好的保护作用。

最后，对处理后钢板进行高速粉末冲击试验，采用精度为0.01g的精密电子秤称重后，置于高速粉末冲击试验箱中，粉末喷枪气压为0.7MPa、喷砂时间1h，试验后称重。对比试验前后重量变化，发现质量减少仅为0.21g，相较不做涂层的基体样品失重4.9g有显著提升，失重减少约23倍。

对比例1

在钢基材表面采用高温热扩散盐浴法制备铝钒共渗复合涂层，具体步骤如下：

1、将M35高速钢经线切割成200×200×4mm的正方形试样，并对其表面进行砂纸打磨，以去除基材表面油污和氧化层，随后用酒精清洗吹干。

2、称取66wt.%的Na₂B₄O₇、4wt.%的Na₃AlF₆、11wt.%的Al粉、6wt.%的NaF和0.5 wt.%的NaCl助熔剂，混合均匀并以5℃/min的速度加热至830℃，保温1h，待盐浴反应充分后进行高温热扩散盐浴处理。

3、将步骤1中预处理之后的试样在温度为450℃的惰性气氛炉中分别保温30min，随后置入盐浴炉中，在860℃下保温3h，在高温热扩散盐浴渗铝处理过程中每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，保持盐浴的流动性以保证在试样表面的活性金属原子的充足供应，确保渗铝涂层的均匀性。

4、往步骤3中添加剩余的11.5wt.%V₂O₅和1wt.%CeO₂物料，采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，将炉温继续以2℃/min升高至870℃，保温时间为6h，每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌，保持盐浴的流动性以保证在试样表面的活性金属原子的充足供应，确保渗钒涂层的均匀性。

通过高温热扩散盐浴法制备的铝钒共渗复合涂层的表面微观形貌如图2所示，从图中可以看出涂层表面出现部分微裂纹，且表面粗糙不平。

从图3涂层截面的微观形貌可以看出，铝钒共渗涂层分为明显的两层，厚度大约为25μm，内部可以看见较多的孔洞，渗钒层与富铝层的结合较差，这可能是由于渗钒温度过低、盐浴配方不佳导致的。

从图4摩擦磨损后涂层表面形貌可以看出，磨痕附近存在较多磨屑，且出现大量的明显裂纹，部分区域还存在着由于粘着、撕脱作用留下的不规则坑，这说明在磨损过程中发生了粘着磨损。裂纹是由于涂层中存在的较多孔洞，当磨损时，磨球与涂层开始接触，在孔洞处接触面积减小，压强增大，在孔洞边缘产生剪切形变，当形变超过涂层的强度极限后，裂纹开始萌生。

从图5的摩擦系数曲线图中可以看出，其摩擦系数为0.501远大于其他涂层，这是因为在摩擦的初始阶段，由于接触面积较小，产生压强大，在发生了粘着磨损后接触面变得更加不平整，摩擦系数也随之增大，伴随着干摩擦产生的大量热而产生了氧化磨损，氧化的磨屑被压入基体使基体变得更加不平整，撕脱和磨屑压入现象与摩擦过程中起伏不定的摩擦系数相对应。

进一步对其进行600h铅液腐蚀测试，腐蚀后形貌如图6所示，从图中可以看出经过600h铅液腐蚀后，涂层表面可以看到明显的腐蚀特征，表面出现疏松、细碎且均匀分布的腐蚀产物，腐蚀层为两层，外层的腐蚀层具有部分破碎和脱落的现象，而内层的腐蚀产物则呈现规则的颗粒状，富铝层内部较多的孔洞使得铅液容易渗入涂层内部，使得涂层对钢材的保护有限。

最后，对处理后钢板进行高速粉末冲击试验，采用精度为0.01g的精密电子秤称重后，置于高速粉末冲击试验箱中，粉末喷枪气压为0.7MPa、喷砂时间1h，试验后称重。对比试验前后重量变化，发现质量减少1.2g，相较不做涂层的基体样品失重4.9g有显著提升，失重减少约4倍。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1. 一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂料，其特征是，包括如下重量百分含量原料，Na₂B₄O₇ 60.2~73.7%，Na₃AlF₆ 5~8%，Al粉 7~10%，NaF 3~5%，助熔剂NaCl 1-3%，V₂O₅10~13%，CeO₂ 0.3~0.8%。

2. 如权利要求1所述的粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂料，其特征是，包括如下重量百分含量原料，Na₂B₄O₇ 66~67%，Na₃AlF₆ 6~7%，Al粉 8~9%，NaF 4~4.5%，助熔剂NaCl1.5-2%，V₂O₅ 11.7~12.6%，CeO₂ 0.3~0.4%。

3.一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层，其特征是，采用如权利要求1或2所述的粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂料，通过高温热扩散盐浴法得到。

4.一种如权利要求3所述的粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征是，包括如下步骤，将待加工件置于盐浴剂中保温一段时间，所述盐浴剂为Na₂B₄O₇、Na₃AlF₆、Al粉、NaF和助熔剂NaCl的混合物，所述盐浴剂的温度为800-880℃；然后添加V₂O₅和CeO₂，升温至880-940℃，进行高温热扩散盐浴渗钒处理，得到粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征是，所述待加工件为去除油污和氧化层的钢基材。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征是，所述钢基材包括但不限于碳钢、高速钢或45#钢。

7.如权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征是，所述盐浴剂的温度为850-870℃，添加V₂O₅和CeO₂后，升温至930-940℃。

8.如权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征是，待加工件置于盐浴剂前，对待加工件进行预热，预热的温度为400-500℃。

9.如权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征是，待加工件置于盐浴剂中保温过程中，以及进行高温热扩散盐浴渗钒处理时，对盐浴剂进行搅拌，确保涂层的均匀性。

10.如权利要求4-6任一项所述的制备方法，其特征是，升温至880-940℃的升温速度为2℃/min。