一种均匀复合结构锌铝防护涂层及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钢铁结构件表面防护领域，特别涉及冷喷涂技术和涂层均匀退火技术。
【背景技术】
[0002]钢铁材料表面镀锌或锌合金是一种最常用、最有效的防护方法之一，特别是汽车、家电工业有着非常广泛的应用，工业上一直是研究的热点。申请号201010205272.7的专利公开了一种锌镁或锌铝镁镀层钢板生产方法及其锌铝镁镀层钢板，利用冷喷涂处理设备对镀锌钢板进行冷喷涂镁或镁合金粉末，接着在连续退火炉中还原性保护气氛下对钢板进行热处理，加热后立即对镀层进行冷却至室温，获得锌铝镁镀层钢板在镀层表面含有铝镁，镀层内部铝镁含量逐渐降低，与钢板结合部位以镀纯锌为主的覆膜钢板，耐蚀性、加工性能和表面质量良好。申请号201110119690.9的专利公开一种金属防腐涂层及其电弧喷涂工艺，金属防付涂层包括锌铝合金底层、纯铝中间层和封闭漆面层，锌铝合金底层的厚度为100 μ m、纯铝中间层80-100 μ m、封闭漆面层的厚度70-90 μ m,漆面层材质为氟碳面漆。锌铝合金底层、纯铝金属中层采用二次雾化电弧金属的方式进行喷涂，封闭面漆层采用喷涂方式进行。申请号201010596519.2的专利公开了一种耐熔蚀FeAl金属间化合物基复合机构涂层的制备方法，以Fe、Al及陶瓷颗粒为原料，以球磨方法制备出合金粉末，采用冷喷涂在基体上沉积涂层，通过热处理制备出FeAl金属间化合物基复合机构涂层，在一定氧分压下使其表面形成一层均匀致密的A1203薄膜，该方法获得的涂层自身具有较好的高温耐磨损性能与耐Zn (Al)腐蚀性能，主要用于钢铁镀锌等行业。申请号JP59009162A的专利提供了一种钢板表面耐蚀涂层的制备方法，首先用喷砂或其它方法线状粗化钢板表面，然后在钢板表面喷涂Zn、Al或合金涂层，喷涂方法为冷态喷涂，细小的阳极牺牲材料(如Zn)放电熔化后由压缩空气驱动粘附在钢板表面，具有很高的抗铁锈能力。申请号CN99100887.1的专利公开了一种在钢铁表面浸镀5%A1 - Zn合金的方法，其步骤包括热浸镀锌处理、镀层厚度降低处理、和热浸镀5%A1 — Zn合金，而于钢铁表面上获得长效性的镀层。经过本发明方法于钢铁表面所形成的5%A1 - Zn合金镀层大部分为共晶结构，在界面处会形成Fe —Zn — Al三元结构的介金属层，其大幅提升钢铁的抗蚀功能及具有优良机械性能，是优良的镀膜。
[0003]然而，上述技术在钢板表面制备ZnAl复合涂层一般环境温度都很高(高于Zn或ZnAl熔点)，液态锌及锌合金与钢板基体接触发生剧烈的化学反应易，极短时间内形成很厚脆性的金属间化合物，工艺控制不当还会形成“爆发组织”，严重影响产品外观形貌和成形性能。热喷涂过程伴随大量热，使得喷涂材料极易发生氧化、相变而影响涂层的性能，严重时还会引起基板材料的热变形。与之相比，冷喷涂技术可以冷态下实现ZnAl合金涂层制备。但由于冷喷涂涂层为颗粒与颗粒之间强烈变形结合，塑形较差，受到机械变形或热变形极易形成局部裂纹；同时冷喷涂涂层沉积过程中颗粒发生严重的不均匀塑形变形，颗粒边缘变形量远高于心部，造成涂层内部存在很大的应力集中，影响涂层力学和耐蚀性能。本发明通过钢板表面冷喷涂ZnAl合金涂层，然后通过适当的热处理工艺改善涂层组织，获得均匀复合结构锌铝防护涂层。
【发明内容】
[0004]因此，本发明要解决的技术问题是提供一种钢铁结构件表面Zn-Al合金防护涂层，耐蚀性能和抗划擦性能优于现有热浸镀锌产品和常规冷喷涂。本发明要解决的另一个技术问题是提供该防护涂层的制造方法。
[0005]本发明的技术方案是，一种均匀复合结构锌铝防护涂层，所述涂层为Zn-Al合金组成，Al元素含量为5-35wt.%,余量为Zn和不可避免的杂质；所述粉末中心粒径范围为35-50 μ m,其中，粒径< 10 μ m的粉末比例体积比不超过10%,粒径彡80 μ m的粉末粒径体积比不超过20% ;所述颗粒内部为细小的枝晶组织。
[0006]颗粒是指Zn-Al合金颗粒，粉末是大量颗粒的组合；每个颗粒内部还有下一层级的微观组织结构，“枝晶组织”就是一种金属材料内部的组织结构。
[0007]一般而言，本发明成分范围内的Zn-Al合金制粉过程中凝固时会形成枝晶组织；本发明后续的工艺及控制措施都是基于这种具有枝晶组织的粉末得出的结论。也就是说，如果不使用“颗粒内部为细小的枝晶组织的粉末”，可能无法获得本发明中相关的性能改盡口 ο
[0008]本发明还提供了上述均匀复合结构锌铝防护涂层的制备方法，包括:
[0009]a、配制Zn-Al合金成分，Al元素含量为5_35wt.%,余量为Zn和不可避免的杂质；
[0010]b、采用雾化激冷的方法制备Zn-Al合金粉末，获得颗粒内部为细小的枝晶组织粉末；
[0011]C、然后利用高速惰性气体和/或还原性气体为载气，在钢铁结构件表面高速喷射沉积100-500 μ m厚的Zn-Al合金涂层；最后对涂层进行均匀化退火处理，获得由富Zn相和富Al相均匀分布的复合组织结构；所述均匀化退火处理包括涂层的热处理、恒温和冷却过程。
[0012]利用高速惰性和/或还原性气体为载气，在钢铁结构件表面高速喷射沉积100-500 μ m厚的Zn-Al合金涂层这一过程本身就是一个喷涂工序，首先是将气体加速至超音速；然后将Zn-Al合金粉末混入高速气体中，由高速气体拖曳获得一定速度，高速的Zn-Al合金颗粒撞击钢铁机构件表面沉积形成涂层。
[0013]根据本发明的均匀复合结构锌铝防护涂层的制备方法，优选的是，步骤b所述雾化气体为惰性气体。
[0014]根据本发明的均匀复合结构锌铝防护涂层的制备方法，优选的是，步骤b所述合金粉末中心粒径范围介于35-50 μ m，其中，粒径< 10 μ m的粉末体积比不超过10%，^ 80 μ m粉末粒径的体积比不超过20%。
[0015]直接雾化制备的粉末粒径范围一般很宽，获得所需的粒径范围主要通过筛分来保证，即利用不同筛网密度的筛子将太大和太小的粒子过滤掉，留下所需粒径；粉末中心粒径小于35微米，容易导致喷涂过程中很多颗粒被吹飞，而不是沉积形成涂层，导致涂层制备效率降低。大于50微米由于单个粒子重量过大，不容易加速到沉积的临界速度，也会导致沉积效率下降；另外，大于50微米还会产生孔隙，影响涂层的致密度。
[0016]根据本发明的均匀复合结构锌铝防护涂层的制备方法，优选的是，步骤c所述载气为含H2或CO与氮气混合气体，或H2或CO与氦气的混合气体，或H2与氮气、氦气三者混合，或CO与氮气、氦气三者混合；其中H2或CO体积比小于3%。
[0017]此处具体可指H2与氮气混合、H2与氦气混合、CO与氮气混合、CO与氦气混合，或者H2与氮气、氦气三者混合，CO与氮气、氦气三者混合；上述任一组合中H2或⑶体积比小于3% ο
[0018]根据本发明的均匀复合结构锌铝防护涂层的制备方法，优选的是，步骤c所述高速喷射沉积过程中Zn-Al合金颗粒自身温度小于0.3Tm, Tm为Zn-Al合金的熔点。
[0019]根据本发明的均匀复合结构锌铝防护涂层的制备方法，优选的是，步骤c所述热处理温度范围为250-350°C，保温时间介于30-180min之间。
[0020]进一步地，高速喷射沉积Zn-Al合金涂层热处理随炉加热，加热速率5-10°C /min。随炉加热在金属材料热处理领域有特定的含义，是指室温将材料放入加热炉中，然后开启加热炉加热至设定温度；随炉加热主要指还没有达到设定温度时的加热过程，是一个温度逐渐升高的过程，而不是某温度恒温过程.
[0021]优选的是，高速喷射沉积Zn-Al合金