利用鋅鎳滲層形成的鋼鐵表面改性結構及其制備方法與流程

本發明涉及一種鋼鐵改性結構，特別涉及一種具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構及其制備方法。

背景技術：

鋼鐵腐蝕給全球帶來了巨大的損失，據相關資料報道。世界上每年因腐蝕而報廢的鋼鐵材料相當于年生產量的20％以上，損失價值約7000億美元。遠遠超過地震、水災、臺風等自然災害造成的損失的總和。目前有多種的防腐技術，使得鋼鐵腐蝕問題得到了一些緩解，但是仍不能滿足人們對防腐的需求。目前的防腐技術制備的防腐層的耐腐蝕性能尚不能滿足人們對防腐的要求，同時硬度相對較低。其中鋅鎳滲層技術處理的工件具有較高的耐腐蝕性，同時還具有較高的耐磨、耐振動性。因此提供一種利用鋅鎳滲層形成的具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構是非常必要的。

技術實現要素：

鑒于以上內容，有必要提供一種利用鋅鎳滲層形成的具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構。

一種利用鋅鎳滲層形成的鋼鐵表面改性結構，所述鋼鐵表面改性結構是形成于鋼鐵基體表面的耐腐蝕的合金結構，所述具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構包括從表面到內部依次為合金沉積層和金屬擴散層，其中所述鋼鐵基體為中碳鋼或中碳低合金鋼，所述合金沉積層為鋅鐵化合物，所述擴散層包括珠光體、鐵素體以及淬火回火組織，所述鋼鐵基體的含碳量介于0.30-0.65％之間，所述具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構的顯微維氏硬度介于240-500之間。

進一步的，所述具有高防腐性能的鋼鐵表面改性結構未進行淬火-回火處理時，所述金屬擴散層的硬度高于所述鋼鐵基體的硬度。

進一步的，所述具有高防腐性能的鋼鐵表面改性結構還包括進行淬火－回火處理后形成的淬火－回火組織，所述金屬擴散層的硬度不高于所述鋼鐵基體的硬度。

進一步的，未進行淬火-回火處理時，經1-5％體積分數的硝酸乙醇的溶液浸蝕10-50秒后所述金屬擴散層中的珠光體顏色比所述鋼鐵基體中的珠光體顏色淺。

進一步的，經過淬火-回火處理后，所述中碳鋼和中碳合金鋼表面改性結構的金屬擴散層為淬火－回火組織，且經1-5%體積分數的硝酸乙醇的溶液浸蝕10-50秒后所述金屬擴散層仍呈白亮色。

進一步的，所述合金沉積層的厚度為60-110微米，所述金屬擴散層的厚度為30-120微米。

進一步的，所述高防腐蝕性能的表面改性鋼鐵材料的鋼鐵基體為中碳鋼或中碳合金鋼。

一種具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構的制備方法，包括如下步驟：

S1、提供中碳鋼或中碳合金鋼的鋼鐵基體；

S2、堿洗脫脂-對所述鋼鐵基體進行堿洗脫脂處理；

S3、拋丸除銹-對第一步處理后的所述鋼鐵進行拋丸除銹處理；

S4、加熱滲層-將滲劑和鋼鐵基體置于密封的鋼鐵容器中對容器加熱，邊加熱邊旋轉容器，轉速為5-10轉/分鐘，加熱溫度為370℃-430℃，其中滲劑的組分及質量配比如由下的粉末組分均勻混合而成：Zn粉25～30％、Ni粉2～2.5％、Al粉1～2.5％、稀土0.5-1.5％、氯化銨1～4％，余量為Al₂O₃粉末；

S5、后續清洗處理。

附圖說明

圖1是本發明提供的高防腐蝕性能的鋼鐵材料的表面金相組織示意圖；

圖2是本發明提供的非淬火－回火45鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；

圖3是本發明提供的淬火－回火45鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；

圖4是本發明提供的淬火－回火42CrMoA鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；

圖5是本發明提供的淬火－回火35CrMo鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；

圖6是本發明提供的淬火－回火35VB鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；

圖7是本發明提供的淬火－回火40Cr鋼經過表面改性處理后的金相截面圖。

具體實施方式

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例，都屬于本發明所保護的范圍。

本發明提供了一種利用鋅鎳滲層形成的具有防腐蝕性能的鋼鐵材料表面改性特殊工藝，具體包括如下步驟：

S1，提供中碳鋼或中碳低合金鋼的鋼鐵基體；

提供一個或多個中碳鋼或中碳低合金鋼的鋼鐵基體，所述鋼鐵基體為中碳鋼或中碳合金鋼。

S2，鋼鐵基體表面的前處理；

在本步驟中，鋼鐵基體表面的前處理包括堿洗（或超聲波清洗、或低溫加熱）脫脂和拋丸除銹兩個過程。

堿洗脫脂：是指使用堿性液體對鋼鐵基體進行清洗。堿性液體的主要成分包括氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、硅酸鈉、硼酸鈉等堿性或顯堿性的鹽。通常堿性液體是含有上述兩種或多種組分的混合物。此外，在堿性液體中還含有EDTA、檸檬酸鈉、三乙醇胺等鋼鐵螯合劑以及乙二醇、乙二醇單乙醚等有機添加劑，它們有幫助堿洗劑提高清洗效果的作用。

超聲波脫脂：超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的，清洗時需要配制合適的清洗劑。

低溫加熱脫脂：當溫度達到油類物質燃點后，油類物質將發生燃燒、揮發、碳化，形成灰分。

未經過處理的鋼鐵基體表面通常附有軋制油、機油、粉末和灰塵等污染物，如果不將這些污染物清洗干凈，在進行表面改性處理時，這些污染物容易在高溫下發生碳化形成碳膜，不僅影響美觀，也會嚴重影響表面改性效果。脫脂可以進一步去除表面的污染物，為后續的工藝處理打好基礎。

拋丸除銹是指采用拋丸工藝對經過脫脂的鋼鐵基體進行進一步的表面清理。拋丸工藝采用拋丸器將鋼鐵小球拋射向經過脫脂的鋼鐵基體表面，通過拋丸工藝可以除掉經過脫脂的鋼鐵基體的表面銹蝕層和氧化皮等污染物，從而使所述鋼鐵基體表面達到所述的粗糙度和清潔度，為后續的工藝做好準備。

S3，配置改性滲劑；

根據合金的種類以及合金需要達到的防腐效果配置表面改性滲劑。所述多元滲劑整體呈粉末狀，其組分及配比如下；Zn粉25～30％、Ni粉2～2.5％、Al粉1～2.5％、稀土0.5-1.5％、氯化銨1～4％，余量為Al₂O₃粉末。所述滲劑可以根據不同的鋼鐵基體或者不同用途調整其各部分的比例。

S4，對所述鋼鐵基體進行表面改性處理；

在步驟S1中得到的鋼鐵基體和步驟S2中配置的滲劑共同放置于密閉的鋼鐵容器中，然后對所述密閉的鋼鐵容器進行加熱，在加熱的同時對所述密閉的鋼鐵容器進行旋轉，通過所述滲劑的熱傳導，可以實現所述滲劑和所述鋼鐵基體處于相同的溫度，并在該溫度下實現滲劑鋼鐵滲入鋼鐵基體表面達到鋼鐵材料表面改性的目的。在本發明中，所述密閉的鋼鐵容器的轉速為5-10轉/分，以使得滲劑和鋼鐵基體受熱均勻，從而實現對所述鋼鐵基體進行均勻的表面改性處理，并制備得到具有防腐蝕性能的鋼鐵表面改性材料。

所述鋼鐵基體可以為中碳鋼、中碳低合金鋼等。

在本步驟中，對所述密閉的鋼鐵容器進行加熱的溫度介于370-430℃之間。溫度的高低對鋼鐵表面改性處理過程有著重要的影響，隨著溫度的升高，滲劑中的原子向鋼鐵基體的擴散速率會急劇增大。根據不同的鋼鐵基體種類或者不同的用途，對所述密閉的鋼鐵容器的加熱溫度和在該溫度下表面改性處理的時間也不相同。表面改性處理的時間介于1-10h之間。

在本步驟中，所述鋼鐵基體可以預先進行加熱處理然后再與所述滲劑進行混合：所述鋼鐵基體也可以不進行加熱處理，而是直接在常溫狀態下與所述滲劑混合。所述鋼鐵基體與所述滲劑在對所述密閉的鋼鐵容器進行加熱的過程中實現。

在進行該步驟之前，根據實際需要，可選擇的對所述鋼鐵基體進行預加熱處理，其中預加熱處理的溫度為400-420℃。

S5，后續清洗處理；

經過S3處理的鋼鐵基體在自然狀態下冷卻，除去鋼鐵件表面浮灰后用清水對其進行清洗，去除其表面附著的滲劑粉末或者其他雜質。

其中在進行鋼鐵基體表面前處理前可選擇的進行淬火-回火處理，經過淬火-回火處理的鋼鐵基體在表面形成淬火-回火組織。

所述鋼鐵基體經過上述的步驟后就可以得到利用鋅鎳滲層形成的具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構。請參閱圖1，是本發明提供的經過表面改性的鋼鐵材料金相組織示意圖。所述表面改性鋼鐵材料由外向內依次包括合金沉積層、金屬擴散層和鋼鐵基體。其中所述金屬擴散層為所述鋼鐵基體與所述沉積層交界處靠近所述鋼鐵基體一側的過渡區間。

實施例一

請參閱圖2，是本發明提供的非淬火－回火45鋼經過表面改性處理后的金相截面圖。在本實施例中，所述鋼鐵基體為中碳鋼中的45鋼，所述非淬火－回火45鋼表面改性處理過程如下：

在本實施例中，所述鋼鐵基體為中碳鋼，具體地，所述中碳鋼為45鋼，表面改性處理過程如下：

首先對鋼鐵基體表面進行前處理，具體包括對所述鋼鐵基體進行堿洗脫脂和拋丸除銹。其中堿洗脫脂和拋丸除銹的具體步驟已在上面進行了說明，這里不再贅述。

然后配置改性滲劑，在本實施例中，所述改性滲劑整體呈粉末狀，其組分及配比如下：Zn粉30％、Ni粉2％、Al粉2.5％、稀土0.5％、氯化銨4％，余量為Al₂O₃粉末。

再者，對所述鋼鐵基體進行表面改性處理。具體的，將所述鋼鐵基體和所述滲劑共同放置于密閉的鋼鐵容器中，然后對所述密閉的鋼鐵容器進行加熱，在加熱的同時對所述密閉的鋼鐵容器進行旋轉，通過所述滲劑的熱傳導，可以實現所述滲劑和所述鋼鐵基體處于相同的溫度，并在該溫度下實現表面改性處理。在本發明中，所述密閉的鋼鐵容器的轉速為5轉/分，以使得滲劑和鋼鐵基體受熱均勻，從而實現對所述鋼鐵進行表面改性處理。表面改性處理的時間為1h，處理溫度為400℃，并制備得到具有防腐蝕性能的鋼鐵表面改性材料。

在本實施例中，所述45鋼與所述滲劑的混合過程中未進行加熱處理。即兩者直接以環境溫度進行混合，然后在所述鋼鐵容器中共同加熱完成表面改性過程。具體地，將所述鋼鐵基體和所述滲劑混合時，所述鋼鐵基體和所述滲劑在常溫下進行混合。

在本實施例中，所述鋼鐵基體為45鋼，在所述45鋼表面形成了鋼鐵表面改性結構。鋼鐵基體鋼鐵基體所述45鋼的鋼鐵表面改性結構包括從表面到內部的合金沉積層和金屬擴散層，可以理解，最內層為鋼鐵基體。

此時所述金屬擴散層從圖2中可以看出，其中珠光體的顏色比所屬鋼鐵基體中珠光體的顏色淺。所述金屬擴散層的維氏硬度高于二者各自的鋼鐵基體的硬度，并且所述金屬擴散層的厚度為100微米。所述金屬擴散層的金相組織包括珠光體和鐵素體。

實施例二

請同時參閱圖3-圖7，其中圖3是本發明提供的淬火－回火45鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；圖4是本發明提供的淬火－回火42CrMoA鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；圖5是本發明提供的淬火－回火35CrMo鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；圖6是本發明提供的淬火－回火35VB鋼經過表面改性處理后的金相截面圖；圖7是本發明提供的淬火－回火40Cr鋼經過表面改性處理后的金相截面圖。

本實施例中，所述鋼鐵基體為中碳鋼或中碳合金鋼。具體包括45鋼、42CrMoA、35CrMo鋼、35VB和40Cr。最終得到多個不同鋼鐵基體的表面改性材料。

本實施例中與所述實施例一中的不同之處在于：

（1）、在本實施例中，所述改性滲劑整體呈粉末狀，其組分及配比如下：Zn粉25％、Ni粉2.5％、Al粉1％、稀土1.5％、氯化銨1％，余量為Al₂O₃粉末；

（2）、在對本實施例中的各個所述鋼鐵基體進行表面前處理前先對其進行了淬火－回火處理。經過淬火－回火的所述具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結構的顯微維氏硬度介于240-500之間。

本實施中的上述鋼鐵基體經過表面改性處理后得到的表面改性結構。所述鋼鐵表面改性結構從表面到內部的合金沉積層和金屬擴散層，可以理解，最內層為鋼鐵基體。

所述鋼鐵基體進行淬火-回火處理后形成了淬火-回火組織。具體地，在本實施例中所述金屬擴散層為淬火-回火組織。進一步地，所述淬火-回火組織為回火索氏體和/或回火托氏體。

此時上述各鋼鐵基體表面改性后的擴散層在1-5％硝酸乙醇溶液的浸蝕幾十秒后(通常介于10-50秒之間)，可以觀察到所有的擴散層仍呈白亮色，說明上述改性材料的金屬擴散層均不易被腐蝕。并且所述金屬擴散層的厚度均為30-100微米，并且上述各個不同材料改性后的金屬擴散層的硬度均略低于各自的鋼鐵基體的顯微維氏硬度。上述各種不同的金屬基體進行表面處理后均形成了金屬擴散層，所述金屬擴散層的金相組織為回火索氏體和/或回火托氏體。

相較于現有技術，通過本發明提供的利用鋅鎳滲層形成的表面改性結構具有很好的防腐效果，可以大大減少因為鋼鐵腐蝕帶來的損失。此外，經過表面改性的材料表面防護層耐磨性好，具有很好的耐沖擊性能，不改變產品原有的機械性能。

以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。