本發(fā)明涉及復(fù)合材料,尤其是一種耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù):
1、連接金具兼具腐蝕與磨損兩種工況。在腐蝕方面,由于輸電線路常年暴露于各種氣象條件下,致使線路金具的腐蝕無時(shí)無刻不在發(fā)生,金具防腐最為常規(guī)的方式為熱鍍鋅處理,但熱鍍鋅層經(jīng)300余小時(shí)鹽霧試驗(yàn)后便出現(xiàn)紅銹,現(xiàn)役金具普遍的表面銹蝕直觀說明了鍍鋅層難以滿足電網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)防腐需要。在磨損方面,微風(fēng)振動(dòng)、舞動(dòng)、覆冰、次檔距振動(dòng)、導(dǎo)線脫冰跳躍等均在不同程度上導(dǎo)致線路金具的磨損,金具表面的熱鍍鋅層根本無抗磨損功能,常用的35鋼等基材的硬度不足210hv,磨損性能欠佳,導(dǎo)致了連接金具在交互力作用下的快速失效。
2、因此,需要提供一種具有更高的耐磨、耐腐蝕性能的保護(hù)涂層。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于,克服現(xiàn)有的保護(hù)涂層的性能仍有待提升的缺陷,提供一種具有更高性能的耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層。
2、本發(fā)明的另一目的在于,提供所述耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層的制備方法。
3、本發(fā)明的另一目的在于,提供所述耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層在防腐領(lǐng)域中的應(yīng)用。
4、為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
5、一種耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層,所述耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層包括依次設(shè)置在金屬基材表面的氮層和鋅層,所述鋅層包括如下質(zhì)量百分含量的組分:0.8-4.0%的al,2.0-4.0%的mg,0.1-0.4%的si,0.01-0.1%的ta,余量為zn和不可避免的雜質(zhì)。
6、本發(fā)明通過在金屬基材表面依次設(shè)置氮層和摻雜改性的鋅層,形成一種復(fù)合涂層對(duì)基材進(jìn)行保護(hù),本發(fā)明的復(fù)合涂層具有很好的耐磨性和耐腐蝕性能。
7、在鋅層中摻雜al、mg和si元素,可以顯著提高表面鋅層的耐腐蝕性能;添加ta元素,可以進(jìn)一步提高表面鋅層的耐腐蝕性能和表面光澤性能,同時(shí)還可提高鋅層和氮層之間的結(jié)合強(qiáng)度,有利于充分發(fā)揮氮層的耐磨性和鋅層的耐腐蝕性能。
8、優(yōu)選地,所述鋅層中,ta的質(zhì)量百分含量[ta]與mg、si元素總質(zhì)量百分含量[mg+si]的比例為[ta]:[mg+si]=(40-100):1。上述元素在合適的比例下,能夠得到表面光澤性和耐腐蝕性能更優(yōu)異的復(fù)合涂層。
9、優(yōu)選地,所述耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層的氮層和鋅層的厚度比例為(1-1.5):1。氮層和鋅層在合適的厚度比例下,有利于將復(fù)合涂層的耐磨性和耐腐蝕性能均發(fā)揮到最大化。
10、優(yōu)選地,所述氮層的厚度為150-500μm。
11、優(yōu)選地,所述鋅層的厚度為70-150μm。
12、所述耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層的制備方法,包括如下步驟:
13、s1金屬基材經(jīng)過表面清潔后,置于離子氮化爐中進(jìn)行滲氮處理,滲氮處理結(jié)束后,去除氮層表面的殘留雜質(zhì),得到表面負(fù)載有氮層的金屬基材;
14、s2將步驟s1得到的表面負(fù)載有氮層的金屬基材,浸入到溫度為420-480℃的鍍鋅液中進(jìn)行熱鍍鋅處理,然后經(jīng)冷卻、鈍化、水洗、干燥后,即可得到所述耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層。
15、本發(fā)明先對(duì)基材表面進(jìn)行滲氮處理,一方面,氮層可以為金屬基材提供一定的耐磨性;另一方面,還可以對(duì)金屬基材進(jìn)行活化,提供一種活性較高的表面,可以進(jìn)一步進(jìn)行鍍鋅處理。
16、進(jìn)一步將表面負(fù)載有氮層的金屬基材置于鍍鋅液中進(jìn)行熱鍍處理,本發(fā)明通過對(duì)鍍鋅液的組成進(jìn)行改性,添加了al、mg和si提高鋅層的耐腐蝕性能;本發(fā)明的發(fā)明人研究還發(fā)現(xiàn),在鍍鋅液中進(jìn)一步添加稀土元素中的ta元素,可以提高鋅層和氮層之間的結(jié)合性能,進(jìn)一步提升涂層的耐腐蝕性能和耐磨性,這可能是因?yàn)椋涸诤械獙拥慕饘倩慕牒衪a金屬的鍍鋅液中時(shí),會(huì)不可避免的攜帶上空氣中的氧氣,高溫下,ta金屬會(huì)與攜帶進(jìn)去的氧氣、氮層的活性氮原子等發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),生成氮鉭化物(例如ta3n5、taon)、氧化鉭(ta2o5)等產(chǎn)物,氮鉭化物可以顯著提高鋅層與氮層之間的結(jié)合強(qiáng)度,進(jìn)一步提高涂層的耐磨性能;氮鉭化物可以從界面處誘導(dǎo)鋅層結(jié)晶,且ta2o5則會(huì)進(jìn)一步細(xì)化鋅層中的mg2si晶粒和mg2zn11晶粒,提升鋅層的致密性,進(jìn)一步提升鋅層的耐腐蝕性能。
17、本領(lǐng)域常見的金屬基材均可用于本發(fā)明中,包括但不限于各種鋼材,其中馬氏體鋼由于具有優(yōu)異的性能,而被廣泛使用,為了進(jìn)一步提高馬氏體鋼的性能,通常還會(huì)進(jìn)行淬火、深冷、回火等熱處理工序。
18、其中,所述淬火處理的具體工藝為:對(duì)馬氏體鋼連接金具進(jìn)行淬火熱處理,將馬氏體鋼升溫到980-1050℃,保溫1-5小時(shí),保溫結(jié)束后氣淬到室溫,將馬氏體鋼從氣淬爐中取出。
19、所述深冷處理的具體工藝為:將氣淬爐中取出的馬氏體鋼進(jìn)行深冷處理,深冷處理的溫度為-90℃~-196℃,保溫1-5小時(shí),保溫結(jié)束后將馬氏體鋼取出,升溫到室溫(25±5℃)。
20、所述回火處理的具體工藝為:將深冷處理后的馬氏體鋼在500-650℃下進(jìn)行回火,保溫時(shí)間2-10h,回火后馬氏體鋼硬度達(dá)到300-360hbw。
21、步驟s1中,本領(lǐng)域常見的清潔方式均可用于本發(fā)明中,優(yōu)選研磨拋光的方式(在拋丸機(jī)中進(jìn)行拋丸),去除金屬基材表面的氧化層以及毛刺等缺陷。
22、優(yōu)選地,所述滲氮處理的工藝包括如下步驟:離子氮化爐中,抽真空至20pa以下后,通入氨氣,氨氣的流量為300-600ml/min,對(duì)金屬基材進(jìn)行滲氮,當(dāng)金屬基材的溫度達(dá)到120-150℃后,降低氨氣的流量至250-500ml/min,繼續(xù)將金屬基材的溫度升高至450-580℃進(jìn)行保溫8-24h;保溫結(jié)束后,通入氬氣,氬氣的流量為200-400ml/min,繼續(xù)保溫2-4h后,關(guān)閉氨氣,保持氬氣流量為200-400ml/min,在氬氣氣氛環(huán)境中冷卻,冷卻至100℃以下后,從離子氮化爐中取出,在空氣中進(jìn)行冷卻。
23、優(yōu)選地,步驟s1中,氮層表面的殘留雜質(zhì)的去除步驟包括:堿洗—水洗—酸洗—水洗—烘干。
24、其中,1)堿洗的目的是去除氮層表面的油污、油漆等污漬;堿洗用的堿液優(yōu)選為10-20wt%的氫氧化鈉溶液;第一次水洗的目的是去除堿洗用堿液。2)酸洗的目的是進(jìn)一步去除基材拋丸未能完全去除的鐵銹、毛刺、飛濺等缺陷,酸洗采用濃度為15-30wt%的鹽酸浸泡1-10min,酸洗時(shí),將基材緩慢放入酸洗槽中,防止鹽酸噴濺,然后在浸泡酸洗過程中,還需要不斷振動(dòng)基材,以保證酸洗均勻,酸洗后得到表面高光滑的基材;第二次水洗的目的是去除基材表面殘留的酸液。兩次水洗均需要將產(chǎn)品完全浸泡在流動(dòng)的水槽中。
25、優(yōu)選地,為了進(jìn)一步提高鍍鋅效率,步驟s2中,表面負(fù)載有氮層的金屬基材在浸入鍍鋅液中前,還經(jīng)過助鍍劑處理,具體包括如下步驟:將步驟s1得到的表面負(fù)載有氮層的金屬基材浸入到助鍍劑中,浸泡1-5min,然后再80-200℃下進(jìn)行烘干;其中,助鍍劑為含有氯化鋅和氯化銨的飽和水溶液,氯化鋅和氯化銨按照質(zhì)量比例為1:(1-2)。將浸過助鍍劑的產(chǎn)品放在烘干板上進(jìn)行烘干處理,烘干板溫度為80-200℃,至產(chǎn)品烘干為止。
26、優(yōu)選地,步驟s2中,所述冷卻為水冷,具體操作是:熱鍍鋅處理后的產(chǎn)品呈5°-20°傾斜狀態(tài)放入冷水中冷卻,以防止在緩慢冷卻時(shí)鋅層中合金的過量生長(zhǎng)導(dǎo)致灰暗鍍層,對(duì)于易變形產(chǎn)品應(yīng)加大此斜度,冷卻到有燙手感,但產(chǎn)品能以自身溫度烘干器表面水分為佳。
27、優(yōu)選地,步驟s2中,所述鈍化的具體操作是:熱鍍鋅處理后的產(chǎn)品蘸濃度為5-12wt%的氯化銨溶液,溫度為60-80℃。蘸氯化銨溶液時(shí)應(yīng)快速急蘸,抖動(dòng)產(chǎn)品防止產(chǎn)品粘連,并去除產(chǎn)品表面鋅灰、毛刺等。
28、鈍化后的工件要用流動(dòng)的清水來進(jìn)行多次漂洗,要洗清鈍化水水印。
29、需要說明的是,如鍍鋅后的產(chǎn)品產(chǎn)生的毛刺、滴瘤、多余結(jié)塊,可小心地打磨掉,不能打磨過量;熱鍍鋅產(chǎn)品上的漏鍍區(qū)應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ),但對(duì)允許修補(bǔ)的漏鍍區(qū)面積大小、修補(bǔ)層厚度是有限制和要求的;若漏鍍區(qū)的面積超過規(guī)定,應(yīng)予以返鍍。
30、上述耐磨損耐腐蝕復(fù)合涂層在防腐領(lǐng)域中的應(yīng)用也在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi),尤其是用于馬氏體鋼材的表面防護(hù)中。
31、與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:
32、本發(fā)明通過在金屬基材表面依次設(shè)置氮層和摻雜改性的鋅層,形成一種復(fù)合涂層對(duì)基材進(jìn)行保護(hù),在鋅層中摻雜al、mg和si元素,可以顯著提高表面鋅層的耐腐蝕性能;添加ta元素,可以進(jìn)一步提高表面鋅層的耐腐蝕性能和表面光澤性能,同時(shí)還可提高鋅層和氮層之間的結(jié)合強(qiáng)度,有利于充分發(fā)揮氮層的耐磨性和鋅層的耐腐蝕性能。