本發(fā)明涉及一種鋼鐵改性結(jié)構(gòu)，特別涉及一種利用鋅鎳滲層技術(shù)達(dá)成具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋼鐵腐蝕給全球帶來了巨大的損失，據(jù)相關(guān)資料報(bào)道。世界上每年因腐蝕而報(bào)廢的鋼鐵材料相當(dāng)于年生產(chǎn)量的20％以上，損失價(jià)值約7000億美元。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過地震、水災(zāi)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害造成的損失的總和。目前有多種的防腐技術(shù)，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(duì)防腐的需求。目前的防腐技術(shù)制備的防腐層的耐腐蝕性能尚不能滿足人們對(duì)防腐的要求，同時(shí)硬度相對(duì)較低。其中鋅鎳滲層技術(shù)處理的工件具有較高的耐腐蝕性，同時(shí)還具有較高的耐磨、耐振動(dòng)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(jié)構(gòu)是非常必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上內(nèi)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(jié)構(gòu)。

一種利用鋅鎳滲層形成的鋼鐵表面改性結(jié)構(gòu)，所述鋼鐵表面改性結(jié)構(gòu)是形成于鋼鐵基體表面的耐腐蝕的合金結(jié)構(gòu)，所述鋼鐵表面改性結(jié)構(gòu)包括從表面到內(nèi)部依次形成的合金沉積層、金屬擴(kuò)散層，其中所述鋼鐵基體為低碳鋼或低碳合金鋼，所述合金沉積層為鋅鐵化合物，所述擴(kuò)散層包括鐵素體、珠光體以及淬火-回火組織。

進(jìn)一步的，所述鋼鐵基體為非淬火-回火鋼鐵基體，所述金屬擴(kuò)散層的硬度高于所述鋼鐵基體的硬度，其中所述鋼鐵基體的顯微維氏硬度介于150-260之間，所述金屬擴(kuò)散層的顯微維氏硬度介于200-400之間。

進(jìn)一步的，所述鋼鐵基體為進(jìn)行淬火-回火處理后形成的淬火-回火鋼鐵基體，所述金屬擴(kuò)散層的硬度不高于所述鋼鐵基體的硬度，所述金屬擴(kuò)散層和所述鋼鐵基體的顯微維氏硬度均介于240-450之間。

進(jìn)一步的，經(jīng)1-5%體積分?jǐn)?shù)的硝酸乙醇的溶液浸蝕數(shù)十秒后金屬擴(kuò)散層中的珠光體顏色比所述鋼鐵基體中珠光體顏色淺。

進(jìn)一步的，所述低碳鋼和低碳合金鋼表面改性材料的金屬擴(kuò)散層為回火索氏體和/或回火托氏體，且經(jīng)1-5%體積分?jǐn)?shù)的硝酸乙醇的溶液浸蝕數(shù)十秒后仍呈白亮色。

進(jìn)一步的，所述合金沉積層的厚度為60-110微米，所述擴(kuò)散層的厚度為30-120微米。

進(jìn)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低碳鋼或低碳合金鋼。

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(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟：

S1、提供低碳鋼或低碳合金鋼的鋼鐵基體；

S2、鋼鐵基體表面的前處理，所述前處理包括脫脂及拋丸除銹；

S3、配置改性滲劑，其中滲劑的組分及質(zhì)量配比如由下的粉末組分均勻混合而成：Zn粉15～20％、Ni粉3～4％、Al粉2～2.5％、稀土2-3％、氯化銨1～4％，余量為Al₂O₃粉末；

S4、對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)行表面改性處理，將在步驟S2中得到的鋼鐵基體和步驟S3中配置的滲劑共同放置于密閉的鋼鐵容器中，然后對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行加熱，在加熱的同時(shí)對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將滲劑和鋼鐵基體置于密封的鋼鐵容器中對(duì)容器邊加熱邊旋轉(zhuǎn)加熱，轉(zhuǎn)速為5-10轉(zhuǎn)/分鐘，加熱溫度為370℃-450℃；

S5、后續(xù)清洗處理。

附圖說明

圖1是本發(fā)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(fā)明提供的非淬火-回火Q235鋼經(jīng)過表面改性后的金相截面圖；

圖3是本發(fā)明提供的非淬火-回火20鋼經(jīng)過表面改性后的金相截面圖；

圖4是本發(fā)明提供的淬火-回火20MnTiB鋼經(jīng)過表面改性后的金相截面圖；

圖5是本發(fā)明提供的淬火-回火25CrMoV鋼經(jīng)過表面改性處理后的金相截面圖。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所得到的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提供了一種利用鋅鎳滲層技術(shù)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、提供低碳鋼或低碳合金鋼的鋼鐵基體；

在本步驟中，所述鋼鐵基體可以為Q235鋼、20鋼、20MnTiB鋼和25CrMoV鋼中的任一種。

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(gè)過程。

堿洗脫脂：是指使用堿性液體對(duì)鋼鐵基體進(jìn)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(jī)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(jìn)流作用對(duì)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(dá)到清洗目的，清洗時(shí)需要配制合適的清洗劑。

低溫加熱脫脂：當(dāng)溫度達(dá)到油類物質(zhì)燃點(diǎn)后，油類物質(zhì)將發(fā)生燃燒、揮發(fā)、碳化，形成灰分。

未經(jīng)過處理的鋼鐵基體表面通常附有軋制油、機(jī)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(jìn)行表面改性處理時(shí)，這些污染物容易在高溫下發(fā)生碳化形成碳膜，不僅影響美觀，也會(huì)嚴(yán)重影響表面改性效果。脫脂可以進(jìn)一步去除表面的污染物，為后續(xù)的工藝處理打好基礎(chǔ)。

拋丸除銹是指采用拋丸工藝對(duì)經(jīng)過脫脂的鋼鐵基體進(jìn)行進(jìn)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(jīng)過脫脂的鋼鐵基體表面，通過拋丸工藝可以除掉經(jīng)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(dá)到所述的粗糙度和清潔度，為后續(xù)的工藝做好準(zhǔn)備。

S3，配置改性滲劑；

根據(jù)合金的種類以及合金需要達(dá)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15～20％；Ni粉3～4％、Al粉2～2.5％、稀土2-3％、氯化銨1～4％，余量為Al₂O₃粉末。所述滲劑可以根據(jù)不同的鋼鐵基體或者不同用途調(diào)整其各部分的比例。

S4，對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)行表面改性處理；

在步驟S2中得到的鋼鐵基體和步驟S3中配置的滲劑共同放置于密閉的鋼鐵容器中，然后對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行加熱，在加熱的同時(shí)對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過所述滲劑的熱傳導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)滲劑鋼鐵滲入鋼鐵基體表面達(dá)到鋼鐵材料表面改性的目的。在本發(fā)明中，所述密閉的鋼鐵容器的轉(zhuǎn)速為5-10轉(zhuǎn)/分，以使得滲劑和鋼鐵基體受熱均勻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)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低碳鋼或低碳合金鋼等。

在本步驟中，對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行加熱的溫度介于370℃-450℃之間。溫度的高低對(duì)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(kuò)散速率會(huì)急劇增大。根據(jù)不同的鋼鐵基體種類或者不同的用途，對(duì)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(shí)間也不相同。表面改性處理的時(shí)間介于1-10h之間。

在本步驟中，所述鋼鐵基體直接在常溫狀態(tài)下與所述滲劑混合。所述鋼鐵基體與所述滲劑在對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行加熱的過程中實(shí)現(xiàn)。

S5，后續(xù)清洗處理；

經(jīng)過S4處理的鋼鐵基體在自然狀態(tài)下冷卻，除去鋼鐵件表面浮灰后用清水對(duì)其進(jìn)行清洗，進(jìn)一步去除其表面附著的滲劑粉末或者其他雜質(zhì)。

所述鋼鐵基體經(jīng)過上述的步驟后就可以得到經(jīng)過改性處理的鋼鐵表面改性材料。請(qǐng)參閱圖1，這是本發(fā)明提供的經(jīng)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(nèi)依次包括沉積層、擴(kuò)散層和鋼鐵基體。其中所述擴(kuò)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(cè)的過渡區(qū)間。在未進(jìn)行淬火-回火工藝條件下，經(jīng)過表面改性的所述鋼鐵基體的顯微維氏硬度硬度介于150-260之間，所述金屬擴(kuò)散層的顯微維氏硬度介于200-400之間。在進(jìn)行了淬火-回火工藝后，所述鋼鐵基體形成淬火-回火組織。所述金屬擴(kuò)散層和所述鋼鐵基體的顯微維氏硬度均介于260-450之間。

實(shí)施例一

請(qǐng)同時(shí)參閱圖2和圖3，其中圖2是本發(fā)明提供的非淬火-回火Q235鋼經(jīng)過表面改性處理后的金相截面圖；圖3是本發(fā)明提供的非淬火-回火20鋼經(jīng)過表面改性處理后的金相截面圖。

在本實(shí)施例中，所述鋼鐵基體為低碳鋼，具體地，所述低碳鋼為Q235鋼或20鋼，二者的表面改性處理過程如下：

首先對(duì)鋼鐵基體表面進(jìn)行前處理，具體包括對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)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(jìn)行了說明，這里不再贅述。

然后配置改性滲劑，在本實(shí)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15％、Ni粉4％、Al粉2％、稀土3％、氯化銨1％，余量為Al₂O₃粉末。

再者，對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)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(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行加熱，在加熱的同時(shí)對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過所述滲劑的熱傳導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)表面改性處理。在本發(fā)明中，所述密閉的鋼鐵容器的轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分，以使得滲劑和鋼鐵基體受熱均勻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所述鋼鐵進(jìn)行表面改性處理。表面改性處理的時(shí)間為1h，處理溫度為420℃，并制備得到具有防腐蝕性能的鋼鐵表面改性材料。

在本實(shí)施例中，所述Q235鋼和20鋼與所述滲劑的混合過程中未進(jìn)行加熱處理。即兩者直接以環(huán)境溫度進(jìn)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。

在本實(shí)施例中，所述低碳鋼為Q235鋼或20鋼：鋼鐵基體為Q235鋼的所述改性后的鋼鐵包括形成于鋼鐵基體表面的具有高防腐蝕性能的鋼鐵表面改性結(jié)構(gòu)。所述鋼鐵表面改性結(jié)構(gòu)包括兩層金相組織，從表面到內(nèi)部依次為合金沉積層和金屬擴(kuò)散層。可以理解，最內(nèi)層為鋼鐵基體。

鋼鐵基體為20鋼的改性鋼鐵材料表面同樣形成兩層的鋼鐵表面改性結(jié)構(gòu)，從表面到內(nèi)部依次為合金沉積層和金屬擴(kuò)散層，可以理解，最內(nèi)層同樣為鋼鐵基體。

在本實(shí)施例中所述鋼鐵基體是非淬火-回火狀態(tài)進(jìn)行表面改性處理。具體地，將所述鋼鐵基體和所述滲劑混合時(shí)，所述鋼鐵基體和所述滲劑在常溫下進(jìn)行混合。

此時(shí)所述鋼材的金屬擴(kuò)散層從圖2和圖3中均可以看出，二者的金屬擴(kuò)散層中珠光體的顏色比鋼鐵基體中珠光體的顏色淺。二者的金屬擴(kuò)散層的維氏硬度均高于二者各自的鋼鐵基體的硬度。所述金屬擴(kuò)散層的厚度為30-80微米。

實(shí)施例二

請(qǐng)同時(shí)參閱圖4和圖5，其中圖4是本發(fā)明提供的淬火-回火20MnTiB鋼經(jīng)過表面改性處理后的金相截面圖。圖5是本發(fā)明提供的淬火-回火25CrMoV鋼經(jīng)過表面改性處理后的金相截面圖。

在本實(shí)施例中，所述鋼鐵基體為低碳合金鋼，所述低碳合金鋼為20MnTiB鋼或25CrMoV鋼，所述低碳合金鋼的表面改性處理過程如下：

首先對(duì)鋼鐵基體進(jìn)行淬火-回火處理，形成淬火-回火組織。

首先對(duì)鋼鐵基體表面進(jìn)行前處理，具體包括對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)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(jìn)行了說明，這里不再贅述。

然后配置多元滲劑，在本實(shí)施例中，所述多元滲劑整體呈粉末狀，其組分及配比如下：Zn粉20％、Ni粉3％、Al粉2.5％、稀土2％、氯化銨4％，余量為Al₂O₃粉末。

再者，對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)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(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行加熱，在加熱的同時(shí)對(duì)所述密閉的鋼鐵容器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過所述滲劑的熱傳導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)表面改性處理。在本發(fā)明中，所述密閉的鋼鐵容器的轉(zhuǎn)速為8轉(zhuǎn)/分，以使得滲劑和鋼鐵基體受熱均勻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所述鋼鐵基體進(jìn)行表面改性處理。表面改性處理的時(shí)間為10h，處理溫度為370℃。

在本實(shí)施例中，所述20MnTiB鋼和25CrMoV鋼與滲劑的混合過程中均未進(jìn)行加熱處理，即直接在環(huán)境溫度下進(jìn)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。

在本實(shí)施例中，所述低碳合金鋼為20MnTiB鋼和25CrMoV鋼。

20MnTiB鋼和25CrMoV鋼表面的表面結(jié)構(gòu)同樣包括兩層結(jié)構(gòu)，該兩層改性結(jié)構(gòu)形成于20MnTiB鋼和25CrMoV鋼表面，從表面到內(nèi)部依次包括合金沉積層和金屬擴(kuò)散層，可以理解，最內(nèi)層為鋼鐵基體。

所述鋼鐵基體進(jìn)行淬火-回火處理后形成了淬火-回火組織。具體地，在本實(shí)施例中所述金屬擴(kuò)散層為淬火-回火組織，具體地，并且所述金屬擴(kuò)散層為回火索氏體。在本實(shí)施例中所述20MnTiB鋼和25CrMoV鋼分別與所述多元滲劑混合時(shí)，是在常溫下進(jìn)行混合。

請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D4和圖5，此時(shí)鋼鐵基體為20MnTiB鋼和25CrMoV鋼改性后的擴(kuò)散層在1-5％硝酸乙醇溶液的浸蝕試驗(yàn)后，可以觀察到二者的金屬擴(kuò)散層仍呈白亮色，說明二者均不容易被腐蝕。并且所述金屬擴(kuò)散層的維氏硬度不高于所述鋼鐵基體的硬度。所述金屬擴(kuò)散層的厚度為80-120微米，經(jīng)過表面改性處理的所述20MnTiB鋼和25CrMoV鋼的金屬擴(kuò)散層的硬度均不高于所述鋼鐵基體的顯微維氏硬度。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，通過本發(fā)明提供的利用鋅鎳滲層技術(shù)表面改性結(jié)構(gòu)具有很好的防腐效果，可以大大減少因?yàn)殇撹F腐蝕帶來的損失。此外，經(jīng)過利用鋅鎳滲層表面改性的材料表面防護(hù)層耐磨性好，具有很好的耐沖擊性能，不改變產(chǎn)品原有的機(jī)械性能。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。