CN105039903A - 一种基于单镀法制备锌铝镁合金共渗层的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单镀法制备锌铝镁合金共渗层的工艺。本发明的创新之处在于：基于单镀型热浸制备锌铝镁合金镀层工艺基础上，通过一定配比的铝、镁合金，一定范围温度条件下，一定的表面处理工艺，配合自行研发的专用表面助渗剂，在较短的时间范围内(最长不超过5min)短时间在金属材料表面制备锌铝镁共渗层。本发明针对锌铝镁共渗技术，提供具有单次浸渗、工艺时间短、高铝、高镁含量，形成稳定锌铝镁共渗层，高厚度、渗层形貌优良、结合强度高、实现金属材料表面制备锌铝镁共渗层。该制备方法成本低，易工业化生产制备。锌铝镁共渗层合金成分范围，45％-50％Al、6％-12％Mg、34％-58％Zn、其余为金属基材。

Description

一种基于单镀法制备锌铝镁合金共渗层的工艺

技术领域：

本发明涉及金属材料表面化学热处理领域，特别涉及一种基于单镀法制备锌铝镁合金共渗层的工艺。

背景技术：

在金属表面渗锌、渗铝或锌铝合金是重要的金属材料表面化学热处理技术。合金渗层在许多环境中具有比渗锌、渗铝更好的耐腐蚀性能，目前获得合金渗层的有效方法有液体渗和粉末渗等，但都有工艺时间长、难工业化生产的缺点。渗铝、渗锌以及锌铝合金共渗均需较高的处理温度，导致金属材料的强度下降，较长的工艺时间造成时间和能源的巨大浪费。多元金属间相互反应及其与基体金属的冶金结合，形成多元共渗层，厚度、硬度、耐磨性、耐蚀性能均显著提高，成为目前的研究热点。

SamuelR.Cross.等[Computationaldesignandoptimizationofmultilayeredandfunctionallygradedcorrosioncoatings.CorrosionScience.2013,77,297-307]研究了锌铝镁合金层耐腐蚀影响，指出Al、Mg对防护层表面影响和防护层整体的耐蚀性能提升。S.Schürz等[ChemistryofcorrosionproductsonZn-Al-Mgalloycoatedsteel.CorrosionScience.2010,52(10),3271-3279]制备的高Al、Mg配比锌铝镁层，具有优异的耐蚀性能。

发明内容：

为了解决现有技术中锌铝共渗工艺要求高、镀层表面不均匀、无法形成锌铝镁共渗层等不足与问题，本发明提供了一种适用于工艺时间短、金属材料的铝、镁含量高、高厚度、渗层形貌优良、结合强度高、适用于工业化推广生产，且基于单镀法制备的锌铝镁共渗层及工艺。本专利的创新之处在于：基于单镀型热浸制备锌铝镁合金镀层工艺基础上，通过一定配比的铝、镁合金，一定范围温度条件下，一定的表面处理工艺，配合自行研发的专用表面助渗剂，在较短的时间范围内(最长不超过5min)短时间在金属材料表面制备锌铝镁共渗层。

本发明是通过以下措施实现的：

一种基于单镀法制备锌铝镁合金共渗层的工艺，将预处理后的金属样品在助渗剂存在下进行热浸镀处理，再在锌铝镁合金溶液中进行热浸渍处理，即得表面镀有锌铝镁合金共渗层的金属样品。

上述方法具体包括以下步骤：

1)将金属基体去污、除油；

2)将助渗剂和步骤1)处理后的金属样品置于容器中，加热60s-80s，加热温度为45℃-80℃；

3)将步骤2)处理后的金属样品置于锌铝镁稀土合金液中，加热100s-240s，加热温度为410℃-470℃，即得锌铝镁共渗层。

本发明中助镀液的最适温度是70℃-85℃，温度较低，助镀剂附着不均匀且助镀效果不佳；温度较高，则助镀剂附着太厚，增加消耗。当然若附着较厚助镀剂在工件上锌灰产生会降低。但太厚时则成反效果。

本发明中一般需0.2-0.5min即可得到好的助镀剂附层，也让金属材料充分加热以助烘干。

优选的是，所述锌铝镁共渗层中，各组分的重量份数为：45％-50％Al、6％-12％Mg、34％-58％Zn、其余为金属基材。当共渗层中铝镁含量达到该比例范围时，材料获得了较好的耐腐蚀性能。

优选的是，所述助渗剂为单镀型助渗剂，各组分的重量份数为：ZnCl₂30-40％；NaF1-3％；KHF₂5-8％；PCl₃0.5-1.0％；SnCl₂2-3％；BeCl₂1-1.5％；SiO₂0.5-1.5％；ZnMnO₄0.05-0.1％；复合表面活性剂1％，其余为水。其中ZnMnO₄作用是与其他成分形成水合物，促进浸渗过程，从而提高共渗层中的铝含量以及促进共晶组织形成；复合表面活性剂为烷基磺酸盐、脂肪醇醚磷酸酯盐、N-烷基氨基二丙酸的复合物。

优选的是，所述步骤2)、3)的处理工艺为：在锌铝镁合金液中采用同轴旋转设备，使其沿进入合金液时方向旋转1-3周。利用旋转让热浸渍过程中的反应产物及时脱离基体表面，避免产物在基体表面堆积形成膜层，促进浸润反应进程，缩短反应时间。

优选的是，步骤3)中，所述热浸渍与热浸镀操作相同，单次热浸、时间短(250s内)获得锌铝镁共渗层主要由助渗剂成分起到关键作用。

优选的是，所述的单镀型助渗剂中，各组分的粒径小于70μm。颗粒小，可保证助镀剂中各组分分散均匀，提高反应活性。

上述任一方法制备的单镀型锌铝镁共渗层，其厚度为65-100μm。本发明制备的单镀型共渗层，进行了中性盐雾试验测试，结果表明出现锈点时间为2500h，而传统热镀锌出现锈点时间仅为140h，所述的共渗层厚度较厚、共晶组织分布均匀且结构致密是其高耐蚀性能的主要原因。

上述的锌铝镁合金共渗层在制造电网输电铁塔中的应用。

有益效果：

1.本发明针对锌铝镁共渗技术，提供具有高铝、高镁含量，形成稳定锌铝镁共渗层，高厚度、渗层形貌优良、结合强度高、实现金属材料表面制备锌铝镁共渗层。该制备方法成本低，易工业化生产制备。

2.本发明的助渗剂中，ZnMnO₄作用是与其他成分形成水合物，促进浸渗过程，从而提高共渗层中的铝含量以及促进共晶组织形成。

附图说明

图1本发明制备的锌铝镁合金共渗层相貌。

具体实施方式：

下面结合实施例进一步说明：

实施例1：锌铝镁共渗层及制备方法，如下：

(1)锌铝镁共渗层合金成分范围，35％Al、10％Mg、53％Zn、其余为金属基材；

(2)金属表面污垢去除后、于85℃下用NaOH溶液和清水分别清洗金属样品3次，去除金属样品表面的油脂；

(3)将单镀型助渗剂为ZnCl₂30％；NaF1％；KHF₂5％；PCl₃0.5％；SnCl₂2％；BeCl₂1％；SiO₂0.5％；ZnMnO₄0.05％；复合表面活性剂1％，其余为水，其中ZnMnO₄作用是与其他成分形成水合物，促进浸渗过程，从而提高共渗层中的铝含量以及促进共晶组织形成；复合表面活性剂为烷基磺酸盐、脂肪醇醚磷酸酯盐、N-烷基氨基二丙酸的复合物。和步骤2)处理后的金属样品置于容器中，助渗80s，加热温度为80℃；

(4)将步骤3)处理后的金属基体置于锌铝镁合金液中，浸渗240s，加热温度为410℃；

(5)上述(3)(4)中处理工艺为：在锌铝镁合金液中采用同轴旋转设备，使其沿进入合金液时方向旋转1周。

所制备的单镀型锌铝镁稀***渗层，其厚度为65-75μm。研究发现：当铝镁含量不大于3.5：1时，制备的共渗层厚度在65-75μm时即可保证合金共渗层的耐腐蚀性。

中性盐雾试验测试，结果表明出现锈点时间为不小于2500h，所述的共渗层厚度较厚、共晶组织分布均匀且结构致密是其高耐蚀性能的主要原因。

实施例2：锌铝镁共渗层及制备方法，如下：

(1)锌铝镁共渗层合金成分范围，40％Al、8％Mg、26％Zn、其余为金属基材；

(2)金属表面污垢去除后、于75℃下用NaOH溶液和清水分别清洗金属样品3次，去除金属样品表面的油脂；

(3)将单镀型助渗剂为ZnCl₂35％；NaF2％；KHF₂6.5％；PCl₃0.75％；SnCl₂2.5％；BeCl₂1.2％；SiO₂1％；ZnMnO₄0.075％；复合表面活性剂1％，其余为水，其中ZnMnO₄作用是与其他成分形成水合物，促进浸渗过程，从而提高共渗层中的铝含量以及促进共晶组织形成；；复合表面活性剂为烷基磺酸盐、脂肪醇醚磷酸酯盐、N-烷基氨基二丙酸的复合物。和步骤2)处理后的金属样品置于容器中，助渗70s，加热温度为65℃；

(4)将步骤3)处理后的金属基体置于锌铝镁合金液中，浸渗180s，加热温度为430℃；

(5)上述(3)(4)中处理工艺为：在锌铝镁合金液中采用同轴旋转设备，使其沿进入合金液时方向旋转2周。

所制备的单镀型锌铝镁稀***渗层，其厚度为75-85μm。

研究发现：当铝镁含量不小于5：1时，制备的共渗层厚度在75-85μm时才可保证合金共渗层的具有较好的耐腐蚀性。

中性盐雾试验测试，结果表明出现锈点时间为不小于2500h，所述的共渗层厚度较厚、共晶组织分布均匀且结构致密是其高耐蚀性能的主要原因。

实施例3：锌铝镁共渗层及制备方法，如下：

(1)锌铝镁共渗层合金成分范围，48％Al、13％Mg、37％Zn、其余为金属基材；

(2)金属表面污垢去除后、于75℃下用NaOH溶液和清水分别清洗金属样品3次，去除金属样品表面的油脂；

(3)将单镀型助渗剂为ZnCl₂30％；NaF1％；KHF₂5％；PCl₃0.5％；SnCl₂2％；BeCl₂1％；SiO₂0.5％；ZnMnO₄0.05％；复合表面活性剂1％，其余为水，其中ZnMnO₄作用是与其他成分形成水合物，促进浸渗过程，从而提高共渗层中的铝含量以及促进共晶组织形成；；复合表面活性剂为烷基磺酸盐、脂肪醇醚磷酸酯盐、N-烷基氨基二丙酸的复合物。和步骤2)处理后的金属样品置于容器中，助渗60s，加热温度为45℃；

(4)将步骤3)处理后的金属基体置于锌铝镁合金液中，浸渗100s，加热温度为470℃；

(5)上述(3)(4)中处理工艺为：在锌铝镁合金液中采用同轴旋转设备，使其沿进入合金液时方向旋转3周。

所制备的单镀型锌铝镁稀***渗层，其厚度为85-100μm。

研究发现：当5：1<铝镁含量<3.5时，制备的共渗层厚度在85-100μm时才可保证合金共渗层的具有较好的耐腐蚀性。

中性盐雾试验测试，结果表明出现锈点时间为不小于2500h，所述的共渗层厚度较厚、共晶组织分布均匀且结构致密是其高耐蚀性能的主要原因。

通过上述实施例的分析表明，在本发明所述共渗层合金比例范围内，铝镁含量不大于3.5：1时，单位厚度共渗层的耐腐蚀性能最佳。

本发明针对锌铝镁共渗技术，提供具有单次浸渗、高铝、高镁含量，形成稳定锌铝镁共渗层，高厚度、渗层形貌优良、结合强度高、实现金属材料表面制备锌铝镁共渗层。该制备方法成本低，易工业化生产制备。

本发明单镀型锌铝镁稀土镀层截面形貌如图1所示，具体分析结果如下表：

处理选项：已分析所有元素(已归一化)

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于单镀法制备锌铝镁合金共渗层的工艺，其特征在于，将预处理后的金属样品在助渗剂存在下进行热浸镀处理，再在锌铝镁合金溶液中进行热浸渍处理，即得表面镀有锌铝镁合金共渗层的金属样品。

2.如权利要求1所述工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)将金属基体去污、除油；

2)将助渗剂和步骤1)处理后的金属样品置于容器中，加热60s-80s，加热温度为45℃-80℃；

3)将步骤2)处理后的金属样品置于锌铝镁稀土合金液中，加热100s-240s，加热温度为410℃-470℃，即得锌铝镁共渗层。

3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述锌铝镁共渗层中，各组分的重量份数为：45％-50％Al、6％-12％Mg、34％-58％Zn、其余为金属基材。

4.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述助渗剂为单镀型助渗剂，各组分的重量份数为：ZnCl₂30-40％；NaF1-3％；KHF₂5-8％；PCl₃0.5-1.0％；SnCl₂2-3％；BeCl₂1-1.5％；SiO₂0.5-1.5％；ZnMnO₄0.05-0.1％；复合表面活性剂1％，其余为水。

5.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，所述步骤2)、3)的处理工艺为：在锌铝镁合金液中采用同轴旋转设备，使其沿进入合金液时方向旋转1-3周。

6.如权利要求2所述的工艺，其特征在于，步骤3)中，所述热浸渍与热浸镀操作相同，单次热浸。

7.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述的单镀型助渗剂中，各组分的粒径小于70μm。

8.权利要求1-7任一所述方法制备的锌铝镁合金共渗层，其特征在于，所述锌铝镁合金共渗层的厚度为85-120μm。

9.权利要求8所述的锌铝镁合金共渗层在制造电网输电铁塔中的应用。