专利名称：钢铁制品锌铝包埋共渗方法及其渗剂的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属的化学热处理，是一种钢铁制品锌铝包理共渗方法及其渗剂。
背景技术：
金属的化学热处理已经发展了大量的工艺技术，如渗碳、渗氮、渗硼、渗硅、渗铝、渗锌、渗铬等，以及铝稀土共渗、铝铬共渗、铝硅共渗、钛铝共渗等。但是从未有过锌铝包埋共渗的报道。
关于热浸镀锌铝合金镀层的报道表明，锌铝合金镀层具有比热浸镀锌层更优异的耐蚀性和抗氧化性，兼具镀锌层和镀铝层的良好性能，但是，进行锌铝合金镀层能耗较高。
渗铝钢在低于600℃的高温环境中，如在高温空气、高温含硫化氢、含二氧化硫和三氧化硫介质、高温高碳势气氛、高温含环烷酸等介质中，具有优异的抗高温腐蚀(高温氧化、硫化、碳化等)性能。
渗锌钢在常温腐蚀环境中(小于350℃)，如在各种大气环境中和水介质中，特别是在工业水、海水、含硫化氢水介质、含二氧化碳水介质、矿物水等条件下，具有优异的抗腐蚀性能。
渗铝或滤稀土共渗的工艺温度高达900℃以上，易造成钢铁制品的严重变形(因一般的钢如20#钢的退火温度为700℃左右)，因而影响设备或零件的安装和使用，因此，目前，在设备的表面处理方面，只是在特殊工艺条件下的小零件上使用渗铝钢。
渗锌的工艺温度一般在450至480℃，不会造成钢铁制品的变形，因而很适合对大型钢铁构件的渗涂。
发明内容
本发明提供了一种使钢铁制品表面形成锌铝共渗层的方法，从而使形成锌铝共渗层的钢铁制品在更为广泛的环境条件中具有优异的抗蚀性能和抗磨蚀性能。
本发明还提供了在上述钢铁制品锌铝包埋共渗方法中使用的渗剂。
本发明是通过以下措施来实现的该钢铁制品锌铝包埋共渗方法是将钢铁制品包埋在渗剂中，在400至600℃下，保温处理3至10小时后，在钢铁制品表面形成一种外层富铝、内层富锌的双层结构的锌铝共渗层。
在上述方法中，可将钢铁制品包埋在渗剂之前，先将钢铁制品进行表面除油或/和除锈或/和喷砂处理。
在上述方法中，渗剂之一按重量百分比含有以下原料成份30.0至60.0％的50至200目的锌粉，2.0至15.0％的50至200目的铝粉，0.1至2.0％的活性剂，余量的50至200目的氧化铝。
在上述方法中，渗剂之二按重量百分比含有以下原料成份30.0至60.0％的50至200目的锌粉，2.0至15.0％的50至200目的锌铝合金粉，0.1至2.0％的活性剂，余量的50至200目的氧化铝；其中，在锌铝合金粉中，铝的含量按重量百分比为4.0至50.0％。
在上述的渗剂中，活性剂采用氯化铵、氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化钾、氯化铝、氟化铝、氯化锌和氟化锌中的任意一种或两种以上的混合物。
钢铁制品经本发明的锌铝包埋共渗处理后可以获得一种外层富铝，内层富锌的双层结构的共渗层，这种锌铝共渗层的抗腐蚀性能兼顾了渗锌层和渗铝层的优点；钢铁制品锌铝共渗后在常温腐蚀环境中，如在各种大气环境中和水介质中，特别是在工业水、海水、含硫化氢水介质、含二氧化碳水介质、矿物水等条件下，均具有比渗锌层更为优异的抗腐蚀性能；钢铁锌铝共渗后在低于600℃的高温环境中具有类似渗铝钢的性能，如在高温空气、高温含硫化氢、含二氧化硫和三氧化硫介质、高温高碳势气氛、高温含环烷酸等介质中，具有优异的抗高温腐蚀(高温氧化、硫化、碳化等)性能。钢铁锌铝共渗后由于硬度提高具而具有有很好的抗磨蚀和冲刷腐蚀性能。钢铁的锌铝包埋共渗在600℃以下进行，可以避免渗铝温度高易造成构件变形的问题，特别适用于大型构件的渗涂。由于锌铝共渗的温度比渗铝低得多，所以锌铝共渗的能耗比渗铝大幅度下降，可使生产成本显著下降。本发明的锌铝包埋共渗技术可以用于各种钢铁制品和构件的防腐蚀、抗磨蚀和抗冲刷腐蚀，可大幅度提高其使用寿命。
四
附图1a为采用扫描电镜对钢铁制品及其锌铝共渗渗层截面的扫描图，附图1b为同时采用能谱分析附图1a中钢铁制品及其锌铝共渗渗层的成分和元素分布图；图2和图3分别为锌铝共渗试样、渗铝试样、渗锌试样在40℃的3.5％NaCl水介质中和40℃的3.5％NaCl+10mg/lH2S水介质中，冲刷腐蚀的重量变化—时间关系曲线图；
图4为500℃下20#钢试样、渗锌试样、锌铝共渗试样和1Cr18Ni9Ti不锈钢试样在空气中的氧化动力学曲线图；图5a为20#钢试样、渗锌试样、渗铝试样、锌铝共渗试样和1Cr18Ni9Ti不锈钢试样500℃下硫化增重图，图5b是20#钢和不锈钢的硫化产物剥落的失重图。
五具体实施例方式实施例将钢铁制品包埋在渗剂中，在400℃或500℃或600℃下，保温处理3小时或5小时或10小时后，在钢铁制品表面形成一种外层富铝、内层富锌的双层结构的锌铝共渗层。
在完成锌铝共渗层后，降温至室温，从渗剂中取出钢铁制品，除去表面的残余物，就得到具有锌铝共渗层的钢铁制品。
在将钢铁制品包埋在渗剂之前，最好先将钢铁制品进行表面除油或/和除锈或/和喷砂处理；但也可根据钢铁制品表面的油或/和锈等的实际具体状况，选择除油、除锈和喷砂处理中的任意一种或任意两种以上的处理方法进行处理。
在上述实施例中，所使用的渗剂之一按重量百分比含有以下原料成份30.0％或60.0％的50.0目或100目或150目或200.0目的锌粉，2.0％或7.0％或15.0％的50目或100目或150目或200目的铝粉，0.1％或1.0％或2.0％的活性剂，余量的50目或100目或150目或200目的氧化铝。
在上述实施例中，所使用的渗剂之二按重量百分比含有以下原料成份30.0％或60.0％的50目或100目或150目或200目的锌粉，2.0％或7.0％或15.0％的50目或100目或150目或200目的锌铝合金粉，0.1％或7.0％或2.0％的活性剂，余量的50目或100目或150目或200目的氧化铝；其中，在锌铝合金粉中，铝的含量按重量百分比为4.0％或10.0％或20.0％或30.0％或40.0％或50.0％。
在上述实施例中，渗剂中的活性剂采用氯化铵、氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化钾、氯化铝、氟化铝、氯化锌和氟化锌中的任意一种或两种以上的混合物。
上述的渗剂之一或渗剂之二的生产方法是将所需要的原料充分混合即可。
本发明不受上述实施例的限制。
如附图1a和1b所示，采用扫描电镜对上述所得的锌铝共渗渗层截面形貌进行了观察，同时采用能谱对锌铝共渗渗层表面成分和渗层中的元素分布进行了分析，采用HVS-1000显微硬度计测量了渗层的表面和截面硬度。共渗层厚度均匀，渗层与基体的界面规则，结合良好。从表面到90微米左右的渗层中，渗层明显分为两区外部富铝层和内部富锌层，每一层都是由铁、锌、铝三种元素组成的合金相。在富铝层中含铝量较高，铝含量达30至35％，而锌含量较低；富锌层中的情况正好相反，锌含量高达80％。铁的成分基本上沿由外到内的顺序发生从高到低再到高的变化趋势。在550℃下共渗10小时后，锌铝共渗渗层的厚度可达100微米附图2和附图3分别为锌铝共渗试样、渗铝试样、渗锌试样在40℃的3.5％NaCl水介质中和40℃的3.5％NaCl+10mg/lH2S水介质中，冲刷腐蚀的重量变化—时间关系曲线。从图中可以看出，在40℃的3.5％NaCl水介质中，渗铝试样和20#钢试样的耐冲刷性能不好；锌铝共渗试样和渗锌试样都有很好的耐冲刷性能，其中锌铝共渗试样比渗锌试样还要好些。锌铝共渗试样和渗锌试样的耐冲刷性能大约是20#碳试样的5-6倍。渗铝试样在该介质中耐冲刷性能不好，与其在该介质中易发生电位转变有关。在40℃的在3.5％NaCl+10mg/lH2S介质中，渗铝试样的耐冲刷性能不是很好，而20#碳试样的耐冲刷性能极差，随时间变化它的重量基本成直线急剧下降。锌铝共渗试样和渗锌试样仍然有很好的耐冲刷性能，随时间的变化它们的重量变化很小，其中锌铝共渗试样仍然比渗锌试样要好些。这些结果表明，钢铁锌铝共渗在恶劣的水介质环境中具有比渗锌更好的耐蚀性，远优于渗铝。
附图4为500℃下20#钢试样、渗锌试样、锌铝共渗试样和1Cr18Ni9Ti不锈钢试样在空气中的氧化动力学曲线。由图可见，在500℃空气中20#钢发生了严重的氧化，而且出现了氧化膜大量剥落；渗锌试样的氧化呈现抛物线规律，在氧化的前70小时内，其氧化增重与20#差别不大，但70小时以后，氧化增重速率明显下降，原因可能是涂层中的锌参与了氧化膜的形成，使氧化膜具有较好的保护性；1Cr18Ni9Ti不锈钢的氧化增重教轻微，经1100小时的长时间氧化，试样单位面积增重小于0.5mg/cm2；锌铝共渗试样的氧化增重最少，比1Cr18Ni9Ti不锈钢试样的增重都小，这是因为锌铝共渗试样渗层中的锌促进了铝的选择性氧化，在试样表面形成了具有很好保护性的三氧化二铝膜的缘故。
附图5a为20#钢试样、渗锌试样、渗铝试样、锌铝共渗试样和1Cr18Ni9Ti不锈钢试样500℃下硫化增重图，从图中可以看出锌铝共渗试样和渗铝试样具有类似的很好的抗硫化性能，其抗硫化性能分别是渗锌钢的10倍，不锈钢的100倍，20#钢的250倍。渗铝钢和锌铝共渗钢拥有很好的抗硫化性可能跟它们表面形成的铝铁化合物有关。图5b是20#钢和不锈钢的硫化产物剥落的失重图，20#钢和不锈钢的硫化产物发生严重的剥落，而渗锌钢、渗铝钢和锌铝共渗钢没有测出明显的剥落量。
上述试验结果表明，钢铁锌铝共渗在高温环境中具有与渗铝类似的耐高温腐蚀性能。显微硬度测量结果表明，锌铝共渗层的硬度达到Hv400至600，一般20#钢的硬度达到Hv150左右，比基体提高3倍，具有优良的耐磨性能。
上述实验结果表明，锌铝共渗层的抗腐蚀性能兼顾了渗锌层和渗铝层的优点，可适用于常温腐蚀介质和高温腐蚀介质。钢铁锌铝共渗后在常温腐蚀环境中，如在各种大气环境中和水介质中，特别是在工业水、海水、含硫化氢水介质、含二氧化碳水介质、矿物水等条件下，均具有比渗锌层更为优异的抗腐蚀性能。钢铁锌铝共渗后在低于600℃的高温环境中具有类似渗铝钢的性能，如在高温空气、高温含硫化氢、含二氧化硫和三氧化硫介质、高温高碳势、高温含环烷酸等介质中，具有优异的抗高温腐蚀(高温氧化、硫化、碳化等)性能。钢铁锌铝共渗后硬度提高具有很好的抗磨蚀和冲刷腐蚀性能。由于钢铁的锌铝包埋共渗在600℃以下进行，可以避免渗铝温度高易造成构件变形的问题，特别适用于大型构件的渗涂。由于锌铝共渗的温度比渗铝低得多，所以锌铝共渗的能耗比渗铝大幅度下降，可使生产成本显著下降。本发明的锌铝包埋共渗技术可以用于各种钢铁制品和构件的防腐蚀、抗磨蚀和抗冲刷腐蚀，可大幅度提高其使用寿命。
权利要求
1.一种钢铁制品锌铝包埋共渗方法，其特征在于将钢铁制品包埋在渗剂中，在400至600℃下，保温处理3至10小时后，在钢铁制品表面形成一种外层富铝、内层富锌的双层结构的锌铝共渗层。
2.根据权利要求1所述的钢铁制品锌铝包埋共渗方法，其特征在于将钢铁制品包埋在渗剂之前，先将钢铁制品进行表面除油或/和除锈或/和喷砂处理。
3.根据权利要求1或2所述的钢铁制品锌铝包埋共渗方法，其特征在于渗剂按重量百分比含有以下原料成份30.0至60.0％的50至200目的锌粉，2.0至15.0％的50至200目的铝粉，0.1至2.0％的活性剂，余量的50至200目的氧化铝。
4.根据权利要求3所述的钢铁制品锌铝包埋共渗方法，其特征在于渗剂中的活性剂采用氯化铵、氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化钾、氯化铝、氟化铝、氯化锌和氟化锌中的任意一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求1或2所述的钢铁制品锌铝包埋共渗方法，其特征在于渗剂按重量百分比含有以下原料成份30.0至60.0％的50至200目的锌粉，2.0至15.0％的50至200目的锌铝合金粉，0.1至2.0％的活性剂，余量的50至200目的氧化铝；其中，在锌铝合金粉中，铝的含量按重量百分比为4.0至50.0％。
6.根据权利要求5所述的钢铁制品锌铝包埋共渗方法，其特征在于渗剂中的活性剂采用氯化铵、氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化钾、氯化铝、氟化铝、氯化锌和氟化锌中的任意一种或两种以上的混合物。
7.一种根据权利要求1所述钢铁制品锌铝包埋共渗方法中所使用的渗剂，其特征在于按重量百分比含有以下原料成份30.0至60.0％的50至200目的锌粉，2.0至15.0％的50至200目的铝粉，0.1至2.0％的活性剂，余量的50至200目的氧化铝。
8.一种根据权利要求1所述钢铁制品锌铝包埋共渗方法中所使用的渗剂，其特征在于按重量百分比含有以下原料成份30.0至60.0％的50至200目的锌粉，2.0至15.0％的50至200目的锌铝合金粉，0.1至2.0％的活性剂，余量的50至200目的氧化铝；其中，在锌铝合金粉中，铝的含量按重量百分比为4.0至50.0％。
9.根据权利要求7或8所述钢铁制品锌铝包埋共渗方法中所使用的渗剂，其特征在于渗剂中的活性剂采用氯化铵、氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化钾、氯化铝、氟化铝、氯化锌和氟化锌中的任意一种或两种以上的混合物。
全文摘要
一种钢铁制品锌铝包埋共渗方法及其渗剂，其方法是将钢铁制品包埋在渗剂中，在400至600℃下，保温处理3至10小时后，在钢铁制品表面形成一种外层富铝、内层富锌的双层结构的锌铝共渗层。本发明使钢铁制品表面形成锌铝共渗层，从而使形成锌铝共渗层的钢铁制品在更为广泛的环境条件中具有优异的抗蚀性能和抗磨蚀性能。由于锌铝共渗的温度比渗铝低得多，所以锌铝共渗的能耗比渗铝大幅度下降，可使生产成本显著下降。本发明的锌铝包埋共渗技术可以用于各种钢铁制品和构件的防腐蚀、抗磨蚀和抗冲刷腐蚀，可大幅度提高其使用寿命。
文档编号C23C10/00GK1428454SQ0114325
公开日2003年7月9日 申请日期2001年12月22日 优先权日2001年12月22日
发明者何业东, 王德仁, 王延锁, 杨延平, 秦学功, 李德志 申请人:中国石油乌鲁木齐石油化工总厂, 北京科技大学