CN102051574A - 低碳钢板表面纳米合金化的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在低碳钢板表面纳米合金化的处理方法，属金属表面处理技术领域。本发明方法的要点是：采用乙酸镍、硝酸钛或硫酸铝作为金属镍、钛或铝的前驱体原料，首先将乙酸镍、硝酸钛或硫酸铝配制成一定浓度的金属盐溶液，随后加入一定量的尿素和表面改性剂十二烷基硫酸钠；在不断搅拌下加热反应；加热温度为90℃-150℃；反应完成后静置数小时，然后抽滤、洗涤、干燥，最终制得纳米镍、钛或铝的金属基粉；然后将金属基粉体涂覆于欲处理的低碳钢板表面，用辊压机进行辊压，然后在还原保护性气氛中于600~900℃下进行合金化处理，最终在钢板表面形成纳米合金化层。该合金化层有较好的耐腐蚀性和耐磨损性能。

Description

低碳钢板表面纳米合金化的处理方法

技术领域

本发明涉及一种在低碳钢板表面纳米合金化的处理方法，属金属表面处理技术领域。

背景技术

随着生活水平的普遍提高，人们对于高表面性能、高耐蚀性能、经济、美观和耐用的金属材料的需求与日俱增。为了改善不锈钢、铝材、铝材等金属材料的表面性能，提高金属制品质量，降低制备成本，金属材料一般都要进行适当的表面处理。

常规的金属表面处理方法，如电镀、化学镀、离子渗入、涂料涂装等，国内外已有大量的文献报道。P．Adam等的美国专利5,403,629中介绍了一种在合金基体上施加铝扩散涂层的方法。该专利详细描述了例如通过溅射在金属部件表面上气相沉积一种金属夹层的方法。然后在该夹层上沉积铝扩散涂层。在M．C．Meelu和M．H．Lorretto的论文“对IN738基础合金上进行硅-钛扩散涂层时时间与温度的影响”(The Effect of Time at Temperature On Silicon-Titanium Diffusion Coating on IN738 Base Alloy)中，披露了对Si-Ti涂层的评价，该涂层通过高温下长时间包渗形成。 随着表面技术的发展，新型表面处理工艺层出不穷，渐渐取代了传统的处理工艺。如激光束(电子束)表面改性、化学电化学沉积、化学电化学转化、热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、气相外延、液相外延、离子注入、溶胶-凝胶法、自催化沉积等。通过这些新型表面处理方法，不仅解决了常规方法中存在的不足，如表面处理层与基底金属之间存在空间界面效应，机械加工性能差；同时也提高材料的耐腐蚀性能、耐磨减磨能力，赋予材料表面特殊的物理、化学特性，提高材料表面完整性和装饰性。

利用纳米材料进行表面合金化是当今研究的热点之一。采用纳米技术对金属进行表面处理，可在金属上获得具有良好合金效果，显著提高金属材料的耐腐蚀性能。本文将介绍一种在低碳钢表面进行合金化的处理方法，通过辊压方法在普通低碳钢表面涂覆金属元素镍、钛、铝等单种或复合耐腐蚀层，然后将经辊压过的金属件置于合金化炉中进行合金化处理，从而达到提高表面性能的目的。

发明内容

 本发明的目的是提供一种在低碳钢板表面进行纳米合金化的处理方法。该方法可消除表面处理层与基底金属之间存在的空间界面效应，能提高机械性能和耐腐蚀性能。

 本发明一种低碳钢板表面纳米合金化的处理方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a．制备金属基础粉体：采用乙酸镍、硝酸钛或硫酸铝作为金属镍、钛或铝的前驱体原料；

将乙酸镍、硝酸钛或硫酸铝配制成一定浓度的金属盐溶液，其浓度为0.001~0.08 g/L；随后加入0.01~0.1 g/L的尿素和0.1~3.0 g/L的表面改性剂十二烷基硫酸钠；在不断搅拌下加热使其反应；加热温度为90℃~150℃；搅拌速度为300转/分；pH值控制在7~10；反应完成后静置3~10小时；然后抽滤、洗涤、干燥，最终得到纳米镍、钛或铝的金属基础粉体；待用；

b．将上述所得粉体，纳米镍、钛或铝金属基础粉体的任一种或两种作为金属基粉涂覆于欲处理的低碳钢板表面，然后用辊压机进行滚压，辊压压力为50MPa；在钢板表面形成紧密的金属层；

c．将上述经辊压过的涂有金属层的钢板置于合金化炉中进行合金化处理；合金化在还原保护性气氛中进行，还原保护性气体采用氮气和氢气的混合气体，两者用量之比为50% ：50% ~ 98%：2%；温度制度：合金化处理温度为600~900℃；开始时为快速升温阶段，升温速率为5~40℃/S，并在高温下保温56~106小时；然后快速降温至室温，降温速率为5~40℃/S；最终获得在低碳钢板表面生成的纳米合金化层，也即合金化耐腐蚀层。

本发明的特点和优点如下所述：

1、本发明可消除表面处理层与基底之间的空间界面效应，显著提高金属的耐磨损性能，提高金属材料的机械加工性能。

 2、本发明实现大规模连续工业化生产后，产品成本远低于传统工艺，可部分替代现有的不锈钢生产。

 3、制备纳米粉体的配方简单，添加剂含量少，产生的废水处理容易，污染少，与同类工艺相比，所排废水不会对环境造成的一次污染及循环污染，有利于环境保护。

4、经本发明处理后的表面合金化碳钢板，还可进行表面再加工，如电解着色、表面抛光等处理，处理后的材料既具有高耐蚀、耐磨损性能，又具有价格低廉的优势，可广泛应用于工业领域。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步说明，通过进行T弯时效测试来评价其机械加工性能。

实施例一

取低碳钢试片(150X75mm)一块；采用如下工艺制备纳米镍基粉体：配方为乙酸镍0.001g/L，尿素0.02 g/L，添加剂十二烷基硫酸钠2.0g/L；加热温度为120℃；搅拌速度保持在300转/分；pH值控制在9.8；静置时间为7小时。将得到的镍基粉体辊压于铜片表面，然后将处理后试样进行表面合金化处理；处理气氛为96％氮气和4％氢气的混合气体。合金化温度控制如下：快速升温至合金化处理温度，升温速率为10℃/S，合金化处理温度为700℃，保温时间为56小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为20℃/S。对处理后的试样进行表面观察及T弯时效测试，发现表面光亮，测得T弯值为8。试样的耐腐蚀、耐磨损等性能显著提高，明显优于未处理的低碳钢。

实施例二

取低碳钢试片(150X75mm)一块；采用如下工艺制备纳米钛基粉体：配方为硝酸钛0.05g/L，尿素0.1 g/L，添加剂十二烷基硫酸钠3.0g/L；加热温度为150℃；搅拌速度保持在300转/分；pH值控制在9.2；静置时间为10小时。将处理后试样进行表面合金化处理，处理气氛为80％氮气和20％氢气的混合气体。合金化温度控制如下：快速升温至合金化处理温度，升温速率为30℃/S，合金化处理温度为800℃，保温时间为66小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为30℃/S。对处理后的试样进行表面观察及T弯时效测试，发现表面光亮，测得T弯值为8。试样的耐腐蚀、耐磨损等性能显著提高，明显优于未处理的低碳钢。

实施例三

取低碳钢试片(150X75mm)一块；采用如下工艺制备纳米铝基粉体：配方为硫酸铝0.08g/L，尿素0.1 g/L，添加剂十二烷基硫酸钠3.0g/L；加热温度为150℃；搅拌速度保持在300转/分；pH值控制在9.3；静置时间为8小时。将处理后试样进行表面合金化处理，处理气氛70％氮气和30％氢气的混合气体。合金化温度控制如下：快速升温至合金化处理温度，升温速率为20℃/S，合金化处理温度为900℃，保温时间为76小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为20℃/S。对处理后的试样进行表面观察及T弯时效测试，发现表面光亮，测得T弯值为8。试样的耐腐蚀、耐磨损等性能显著提高，明显优于未处理的低碳钢。

实施例四

取低碳钢试片(150X75mm)一块；采用如下工艺制备纳米铝基粉体及纳米镍基粉体：纳米铝基粉体配方为硫酸铝0.08g/L，尿素0.1 g/L，添加剂十二烷基硫酸钠3.0g/L；加热温度为150℃；搅拌速度保持在300转/分；pH值控制在9.3；静置时间为8小时。纳米镍基粉体配方为乙酸镍0.002g/L，尿素0.03 g/L，添加剂十二烷基硫酸钠2.0g/L；加热温度为120℃；搅拌速度保持在300转/分；pH值控制在9.8；静置时间为：8小时。辊压时先涂覆铝基粉体再涂覆镍基粉体。将处理后试样进行表面合金化处理，处理气氛70％氮气和30％氢气的混合气体。合金化温度控制如下：快速升温至合金化处理温度，升温速率为20℃/S，合金化处理温度为900℃，保温时间为76小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为20℃/S。对处理后的试样进行表面观察及T弯时效测试，发现表面光亮，测得T弯值为8。试样的耐腐蚀、耐磨损等性能显著提高，明显优于未处理的低碳钢。

关于T弯时效测试

T弯时效测试即采用折板机沿钢板试样50mm处弯折180度，采用专用胶带在试样弯折处均匀用力压着，将胶带撕开，胶带上若无附着物（合金细屑及表面附着物等）附着，则记为0T。胶带上若有附着物附着，则继续弯折，直到经过n次弯折，在弯折处撕开胶带上无附着物附着，则记为(n-1)T。现实生产对低碳钢板的机械加工性能要求很高，T弯值越小越好，这样可以保证低碳钢板的后续深冲、折弯加工性能良好，一般要求低碳钢板的T弯值应小于10。

Claims (1)

1. 一种低碳钢表面纳米合金化的处理方法，其特征在于是有以下的过程和步骤：

a．制备金属基础粉体：采用乙酸镍、硝酸钛或硫酸铝作为金属镍、钛或铝的前驱体原料；

将乙酸镍、硝酸钛或硫酸铝配制成一定浓度的金属盐溶液，其浓度为0.001~0.08 g/L；随后加入0.01~0.1 g/L的尿素和0.1~3.0 g/L的表面改性剂十二烷基硫酸钠；在不断搅拌下加热使其反应；加热温度为90℃~150℃；搅拌速度为300转/分；pH值控制在7~10；反应完成后静置3~10小时；然后抽滤、洗涤、干燥，最终得到纳米镍、钛或铝的金属基础粉体；待用；

b．将上述所得粉体，纳米镍、钛或铝金属基础粉体的任一种或两种作为金属基粉涂覆于欲处理的低碳钢板表面，然后用辊压机进行滚压，辊压压力为50MPa；在钢板表面形成紧密的金属层；

c．将上述经辊压过的涂有金属层的钢板置于合金化炉中进行合金化处理；合金化在还原保护性气氛中进行，还原保护性气体采用氮气和氢气的混合气体，两者用量之比为50% ：50% ~ 98%：2%；温度制度：合金化处理温度为600~900℃；开始时为快速升温阶段，升温速率为5~40℃/S，并在高温下保温56~106小时；然后快速降温至室温，降温速率为5~40℃/S；最终获得在低碳钢板表面生成的纳米合金化层，也即合金化耐腐蚀层。