CN203320455U - 一种渗铝高速公路护栏 - Google Patents

Abstract

一种渗铝高速公路护栏，包括立柱，立柱上端设有柱帽，立柱通过连接件与栏板连接，护栏的各个部件从内到外分为基体层、铁铝合金层和铝层。所述的铁铝合金层厚度为14~29μm。采用本实用新型，使高速公路护栏的表面形成一层较薄的铁铝合金层及铝层，可以提高其耐工业区大气、海洋和乡村环境中腐蚀性能，其耐腐蚀性是镀锌护栏6~10倍。

Description

一种渗铝高速公路护栏

技术领域

本实用新型涉及交通设施领域，也涉及钢材防腐处理领域，尤其是一种可以完全替代镀锌钢的高速公路护栏及制备方法。

背景技术

高速公路是最重要的交通基础设施，我国高速公路是从80年代发展起来的，它对国民经济和社会的发展起着重要的影响作用。护栏是高速公路重要的安全保障设施。近年来，随着国内高速公路建设的飞速发展，安全护栏市场不断扩大。目前全国共有护栏生产厂家200家左右，但由于各生产厂家对该产品的性能、技术参数、生产工艺掌握各不相同，产品的质量良莠不齐，据交通运输质量监督局对公路波形梁钢护栏板的质量抽样表明：有的路段由于采用了防腐工艺处理不当的护栏产品，导致其在一两年时间内，护栏便锈迹斑斑，不仅影响了高速公路的视觉效果，也大大缩短了护栏的有效使用期，同时也增加了维护成本。

高速公路护栏属于户外使用的大型长久性设施，需要其经受风雨侵蚀、季节侵蚀、季节温变及环境介质的作用，目前国内高速公路护拦防腐方式：喷塑、镀锌、镀锌后喷塑、镀铝。喷塑处理是国内护栏防腐最初采用的技术，喷塑层厚度不小于 200 μm，该技术存在的缺点在护栏上使用1年后即表现出来，各类加工件边角、棱角处出现大范围的锈迹现象，2-3年后，护栏涂层从边角处出现大面积的起泡、渗透、脱落，严重影响了高速公路装饰带的装饰效果，甚至需要更换护栏板；镀锌及镀锌后喷塑利用有机涂层保护的同时还利用金属涂层，采用牺牲阳极法对钢基体进行阴极保护，使用3-4年后由于保护层消耗、弯曲时镀层破坏、工件表面气孔气体膨胀导致保护层破坏等因素减少护栏的防腐寿命；镀铝利用表面纯铝层大大增强护栏耐大气腐蚀性，但由于对运输及安装要求比较严格，一旦镀层被划破，钢基体裸露在环境介质中，镀铝层的保护作用就大大减弱。

渗铝是钢铁防护的有效措施之一，能显著提高钢铁在强腐蚀介质和氧化介质中的耐蚀性、耐热性以及材料的整体耐磨性。若钢中含铝量大于8%，能在其表面生成致密的Al₂O₃氧化膜，使之具有极好的耐腐蚀、抗氧化能力。但如此高的铝量将使钢变得很脆，难以进行冷热加工和焊接，也不能承受冲击和振动载荷。用表面涂覆铝的方法，既可提高钢质工件表面层的含铝量，又可保持心部良好的塑性和韧性。在钢材表面形成涂覆铝层的方法很多，目前只有热浸镀、扩散法和热喷涂在生产上较为常用。热浸镀铝是继热浸镀锌之后发展起来的一种高效防护镀层。

传统热镀铝钢热浸温度多在700℃区间内，该温度区间低于钢材的奥氏体化温度，不能形成达标的共晶铁铝合金层，故多用在室温或低温腐蚀环境；如需要高温环境条件，则需进行热浸镀之后的扩散渗铝过程。渗铝的工艺方法有固体渗铝法、膏剂渗铝法、气相渗铝法、热浸扩散渗铝法等。前三类渗铝法的研究成果较多，但产量较低，市场占有率小（只占渗铝产品的15%左右），可批量生产的渗铝法主要以热浸扩散渗铝工艺为主。

就热浸渗铝设备而言，国内普遍使用的电阻加热浸渗铝设备主要以依靠辐射传热，存在以下缺点：加热速度慢（一般小于10℃/秒）、电能利用率低（在40%以下）、炉温不易控制（炉膛上下易串温）、热浸融铝铁埚寿命短（一般都在几个月内）、溶蚀铁质易污染铝液等，而这些因素大大制约了渗铝技术的发展及其在各行业的大规模普及应用。

早在80年代我国就有快速电加热和高频感应加热渗铝的研究，刘先曙, 快速渗铝概况[J].金属热处理,1980（05）、程树红等, 高频感应加热渗铝[J].机械工人, 1987/06，实验结果表明通过电流快速加热渗铝的方法能明显缩短渗铝周期、改善渗层组织和各项性能。但这些研究均是以膏剂法或固态法渗铝为前提，且多处在实验室阶段，至今无法实现产业化、效益化，也阻碍了快速渗铝技术的工业化应用。

本专利发明人费新成前期的实用新型专利CN1673406A已成功开发了采用电流加热的快速热浸渗铝工艺，这种工艺较传统扩散渗铝工艺有诸多优点：如热浸铝温度低（680℃左右），渗铝过程短（2-4分钟），消除渗层表明脆性区，提高抗热冲击性及热疲劳性提升10%以上，可保留渗铝件最外层的铝层等。但该工艺的仍存在缺点：加热熔铝仍采用电阻炉设备，熔铝坩埚采用内衬非金属材料的铁锅，快速渗铝过程依靠外加电源发生装置。电阻炉加热效率仍相对较低，内衬材料铁锅的导热率低，这导致大批量生产时，铝液温度不能及时补偿回温，因此，生产线最大年产量只在1-1.2万吨左右。此外，渗铝钢质工件的铁铝合金层厚度并不能得到有效控制（一般超过30微米，最厚达到75微米），这对材料的最终弯曲性能、韧性、冲压成型性能有所损害。

目前渗铝行业的钢质工件预处理酸洗工艺，多为卧式酸洗池，酸液浓度大，气体挥发对环境污染性大，且工件酸洗时间长，效率低，且酸洗工件易产生氢脆而导致最终渗铝件的渗层存在裂纹。中国专利CN1392283A公开的硫酸浓度为20%~25%，酸洗时间15~20分钟。专利CN1673406A公开的硫酸浓度15%和盐酸浓度10%混合酸洗液，酸洗时间也需15分钟。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种渗铝高速公路护栏，可以提高高速公路护栏的耐腐蚀性能，且表面层的韧性增强，消除传统扩散渗铝层的表面脆性区，提高抗热冲击性及热疲劳性。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种渗铝高速公路护栏，包括立柱，立柱上端设有柱帽，立柱通过连接件与栏板连接，护栏的各个部件从内到外分为基体层、铁铝合金层和铝层。

所述的铁铝合金层厚度为14~29μm。

优选的，所述的铁铝合金层厚度为14~23μm。

优选的，所述的铁铝合金层厚度为15~20μm。

所述的铝层之外还形成氧化铝膜。

所述的铁铝合金层为柱状共晶状态的铁铝合金层，柱状晶体与铝层的表面垂直。

一种制备上述的渗铝高速公路护栏的方法，包括以下步骤：

一、将工件烘烧除油；

二、酸洗除锈；

三、水洗；

四、表面活化；

五、助渗；

六、烘干；

七、感应快速渗铝；烘干后的工件立即浸入以感应方式加热至温度为680~700℃的铝液中，浸渗时间为2~3min；

八、封闭；

通过上述步骤得到表面渗铝的高速公路护栏。

步骤二中，酸洗液的组分为质量百分比为2~7%的wt98H₂SO₄、8~15%的wt36HCl、3~6%Na₃PO_4、余量为水；

酸洗步骤在通有交变电流的酸洗池内进行，电流值为30-50A，频率为8-10kHz，酸洗时间为2~3 min，其中交流脉冲时间1~2min，直流时间0.5~1min。

步骤四中，冲洗后的工件立即浸入含质量百分比1.6~2.0%Na₂B₄O₇、1.8~2.2%NaNO₂、27~33%NaOH、余量为水的活化液，活化时间27~33s。

步骤五中，助渗液为质量分数0.3~2%ZrF₄、0.12~1.5%Na₂ZrF₆、0.05~0.5%ZrO₂、0.05~5.0%KMnO₄、6~15%AlF₃加水配置浓度达到接近饱和，助渗时间为3~4min。

步骤七中，感应加热电源频率8~10kHz，功率300~500kw，电流值为500-700A。

步骤八中，封闭液组分为质量百分比的6~20%Na₂CO₃、10~40%NaOH、余量为水。

本实用新型中渗铝工件的表面强化层由铝层及铝层外的氧化铝膜和渗铝层即铁铝合金层构成，铝层决定了钢材的耐候、耐蚀及光（热）的反射等性能；铁铝合金层则决定了工件的耐热性、耐高温氧化性、耐磨性及加工成型等性能。

发明人发现采用本实用新型的超音频感应加热方法配合本实用新型的快速酸洗、活化和助渗工艺后得到的产品，渗铝层，即铁铝合金层的厚度得到有效控制，经推测，这可能一部分是由施加的外场电流能产生的集肤效应所导致的，而另一部分是由快速酸洗，改进后的活化液组分和助渗液组分起到的作用，例如快速酸洗由于时间缩短，也相应地缩短了酸液渗透的厚度。本实用新型的产品铁铝合金层最终的厚度可以控制在14~29μm，优选的在15~20μm，由此改进，从国家交通安全设施质量监督检验中心(交通部交通工程监理监测中心)检测报告2001-CA01-278号报告中显示，本实用新型方法获得的产品的抗拉强度、屈服强度及伸长率均1符合要求。其中抗拉强度标准为≥370~550MPa，本实用新型的产品为440~455 MPa；屈服强度标准为≥235 MPa，本实用新型的产品为340~345 MPa；伸长率标准为≥26%，本实用新型的产品为36~38%。

采用本实用新型，还具有以下优点：

1、使高速公路护栏，即栏板、立柱、柱帽及其他连接件的表面形成一层较薄的铁铝合金层及铝层，不仅可以使其保证钢基体的物理性能，而且可以大大提高其耐工业区大气、海洋和乡村环境中腐蚀性能，其耐腐蚀性是镀锌护栏6~10倍；

2、由于铝与钢基体形成共晶组织铁铝合金，可以高速公路护栏不因运输冲击、弯曲、安装等因素破坏保护层，而降低了其耐腐蚀性；

3、本实用新型为高速公路护栏表面防腐处理提供一种新型低成本、高可靠性、高效率的生产工艺，可以促进钢材表面防腐技术的产业化，增加产品技术含量，使之具有高效、节能、环保的特点，加强我国高速公路护栏表面防腐的国际竞争力，具有明显的经济效益和社会效益。

本实用新型制备的材料性能与组织如下表： 

表1及图1、图2是高速公路护栏板及立柱经本工艺热浸渗铝后的材料性能及微观组织。可见，经本实用新型方法快速热渗铝后，渗铝扩散层深度得到有效控制，材料最终的力学性能未受到破坏，具有超强的耐海水腐蚀性能。

此外，通过实验数据证明，本工艺制备的渗铝层即铁铝合金层较传统扩散渗铝层，在消除表面脆性区的同时，提高热冲击稳定性和热疲劳性能各10%以上。

表1  高速公路护栏板及立柱渗铝后的组织性能：

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型产品的截面结构示意图。

图2为图1的A-A剖面示意图。

图3为本实用新型产品的500倍下金相组织微观结构图。

图4为本实用新型产品的500倍下铁铝合金层厚度图。

图中：基体层1，铁铝合金层2，铝层3，氧化铝膜4，柱帽5，栏板6，连接件7，立柱8。

具体实施方式

一种高速公路护栏，包括立柱8，立柱8上端设有柱帽5，立柱8通过连接件7与栏板6连接，护栏的各个部件从内到外分为基体层1、铁铝合金层2和铝层3；本例中的立柱8、柱帽5、栏板6和连接件7以下简称为工件，材质为碳钢或合金钢。

所述的铁铝合金层2厚度为14~29μm。由此微观结构，本实用新型的产品在仍然具备超强耐蚀性、耐热性、耐磨性和光热反射性的同时，提高材料的弯曲性能，消除扩散渗铝层的表面脆性，提高抗热冲击性及热疲劳性。

优选地，所述的渗铝层2厚度为15~28μm。

优选地，所述的渗铝层2厚度为15~24μm。

优选地，所述的渗铝层2厚度为15~20μm。

所述的铝层3之外还形成氧化铝膜4。由此结构，提高了耐蚀性、耐热性、耐磨性。

所述的铁铝合金层2为柱状共晶状态的铁铝合金层，柱状晶体与铝层的表面垂直。所述的渗铝层2为柱状共晶状态的铁铝合金层，柱状晶体与铝层的表面垂直。由此微观结构，消除了产品的表面脆性区。

一种制备上述的渗铝高速公路护栏的方法，包括以下步骤：

一、将工件烘烧除油；将工件化学脱脂，在400℃~450℃的温度区间内烘烧除油处理10min至表面干净无油。

二、酸洗除锈；优选的，酸洗液的组分为质量百分比为2~7%的wt98H₂SO₄、8~15%的wt36HCl、3~6%Na₃PO_4、余量为水；进一步优选的，酸洗步骤在通有交变电流的酸洗池内进行，电流值为30-50A，频率为8-10kHz，酸洗时间为2~3 min，其中交流脉冲时间1~2min，直流时间0.5~1min，交流脉冲和直流交替进行。

三、水洗；除锈完毕的工件，用高压水冲洗1~2次。

四、表面活化；冲洗后的工件立即浸入含质量百分比1.6~2.0%Na₂B₄O₇、1.8~2.2%NaNO₂、27~33%NaOH、余量为水的活化液内27~33s。

五、助渗；助渗液为质量分数0.3~2%ZrF₄、0.12~1.5%Na₂ZrF₆、0.05~0.5%ZrO₂、0.05~5.0%KMnO₄、6~15%AlF₃加水配置浓度达到接近饱和，助渗时间为3~4min。

六、烘干；助渗后的工件在300℃温度下烘干3min。

七、感应快速渗铝；烘干后的工件立即浸入以感应方式加热至温度为680~700℃的铝液中，浸渗时间为2~3min；优选的，本例中的铝液为纯铝液，或者含有质量百分比0.7%铅、0.06%锑的铝液。其中纯铝液的对应温度为680℃，而含有铅、锑的铝液对应温度为700℃。

感应加热电源频率8~10kHz，功率300~500kw，电流值为500-700A。

优选的，感应加热电源频率90kHz，功率400kw，电流值为650A。

八、封闭；封闭液组分为质量百分比的6~20%Na₂CO₃、10~40%NaOH、余量为水。为保证高速公路护栏渗层表面光亮及均匀一致，并去除表面少量的氧化皮，同时对渗铝层进行封闭处理，将封闭处理后的高速公路护栏进行质量检测，检测合格后包装入库。

通过上述步骤得到表面渗铝的高速公路护栏。本实用新型不仅可以保证高速公路护栏机械性能，而且使其具有优异耐腐蚀性能，使用寿命长，可极大地减少高速公路护栏维护成本。

Claims (3)

1.一种渗铝高速公路护栏，包括立柱（8），立柱（8）上端设有柱帽（5），立柱（8）通过连接件（7）与栏板（6）连接，其特征是：护栏的各个部件从内到外分为基体层（1）、铁铝合金层（2）和铝层（3），所述的铁铝合金层（2）厚度为14~29μm。

2.根据权利要求1所述的一种渗铝高速公路护栏，其特征是：所述的铁铝合金层（2）厚度为15~20μm。

3.根据权利要求1所述的一种渗铝高速公路护栏，其特征是：所述的铝层（3）之外还形成氧化铝膜（4）。

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