一种热浸镀铝锰系合金层方法

摘要

本发明公开了一种热浸镀铝锰系合金层方法，在Q235钢表面分别形成了Al-2％wtMn、Al-9％wtMn、Al-13％wtMn铝锰系合金镀层以及Al-Mn-Mg系合金镀层；纯铝镀层表面呈较粗大的枝晶结构，而铝锰合金镀层则出现了块状的铝锰化合物相，后者主要是由Al、FeAl

说明书

技术领域

本发明属于Q235钢表面改性和表面强化技术领域，涉及一种热浸镀铝锰系合金层方法。

背景技术

现有技术中，往往采用纯铝镀层，其硬度较低一般为15.3HBS，随着冲蚀磨损和动载磨 粒磨损时间的延长，纯铝镀层的磨损失重量也比较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术所存在的上述不足，提供一种热浸镀(HAD)铝锰系合金 层方法，HAD铝锰系合金层具有优良的抗冲蚀磨损和磨粒磨损性能。其技术方案为：

一种热浸镀铝锰系合金层方法，其步骤为：待镀件经过除油、水洗、除锈、水洗、助 镀、水洗、吹干及预热、热浸镀铝，

所述除油步骤，采用的除油剂的成分为20％NaOH、5％Na₂SO₄和10％Na₂CO₃混合水 溶液，加热80-100℃浸泡20min；

所述除锈步骤采用硫酸或盐酸水溶液，所述硫酸溶液浓度为20％，温度40～60℃，时 间10～20min；所述盐酸溶液浓度为33％，温度10～30℃，时间5～30min，酸洗后用流动 水冲洗1～2min，晾干后才允许进入下一工序，采用的除锈剂为常温33％工业盐酸，浸泡 30min然后冲洗；

所述助镀步骤将经过前述预处理后的镀件置于助镀剂中进行助镀处理，在熔剂法钢材热 浸镀铝中，采用的助镀剂：10％的ZnCl₂水溶液加热80-100℃浸泡10-20min助镀；

铝液表面覆盖剂：用于热浸镀铝熔铝时，覆盖剂一般由碱金属及碱土金属的氯化物及氟 化物组成，主要成分是KCl，NaCl，Na₃AlF₆等。氯盐对固态氧化铝夹杂物和氧化膜有很强的 浸润能力，在熔体温度下密度远小于铝液，能很好的铺展在铝液表面，破碎和吸附熔体表面 的氧化膜。且氯化物表面张力小，润湿性好。本试验所选择的覆盖剂：80％KCl+10％NaCl +10％Na₃AlF₆。

除气剂：用于热浸镀铝精炼时，采用MnCl₂，加入量为3％。

所述热浸镀铝步骤采用可控温式井式炉进行热浸镀铝锰合金实验，将工业铝锭放入石墨 坩埚在井式坩埚炉中加热，待温度升高至780～850℃铝溶解成熔融铝时，再向其中缓慢加 入Mn颗粒，并用碳棒不停的搅拌5～10min，然后精炼除渣，最后将已经预处理的试样浸 入铝液中，15min后取出。

本发明所述铝锰合金镀层的组成成分：所制备的Al-Mn系镀层分别为Al-2％Mn、 Al-9％Mn、Al-13％Mn(wt％)合金镀层，Al-Mn-Mg系镀层分别为Al-2％Mn-4％Mg、 Al-2％Mn-2％Mg、Al-4％Mn-4％Mg、Al-4％Mn-3％Mg合金镀层。

本发明的有益效果：

本发明所述方法在Q235钢表面分别形成了Al-2％wtMn、Al-9％wtMn、Al-13％wtMn铝 锰系合金镀层以及Al-Mn-Mg系合金镀层；纯铝镀层表面呈较粗大的枝晶结构，而铝锰合金 镀层则出现了块状的铝锰化合物相，后者主要是由Al、FeAl₃、Fe₂Al₅及MnAl₆相组成；HAD 改性层包括两部分：最外层是铝锰化合物层，其下是厚齿状的铁铝化合物过渡层。

锰镁元素的添加显著提高了热浸镀铝层的表面硬度。Al-9％Mn和Al-4％Mn-4％Mg合金 镀层硬度分别为26.7HBS和34.6HBS，与纯铝镀层15.3HBS相比，硬度值分别提高了75％ 和126％。在一定范围内锰、镁的复合添加强化效果要优于单一元素添加。在3.5m/s和7.0m/s 两种冲蚀速度下，铝锰合金镀层的冲蚀磨损失重量均比纯铝镀层小，而且随冲蚀时间延长， 铝锰合金镀层的冲蚀磨损失重量的增长速度也明显弱于纯铝镀层，尤其是在高含锰量的情况 下。随着动载磨粒磨损时间的延长，铝锰合金镀层的磨损失重量显著降低，低于未处理的 Q235钢和纯铝镀层的相应值，而且其降低幅度随着镀层中锰含量的增加愈趋明显。当磨损 100h后，Al-13％Mn合金镀层的磨损失重量约为未处理Q235钢的45％，纯铝镀层的35％。 因此，HAD铝锰合金镀层具有优良的抗冲蚀磨损和磨粒磨损性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步详细地说明。

一种热浸镀铝锰系合金层方法，其步骤为：待镀件经过除油、水洗、除锈、水洗、助 镀、水洗、吹干及预热、热浸镀铝，

所述除油步骤，采用低温加热或碱液或有机溶剂清洗除油，通常采用化学方法除油，如 果工件油污太多，可先用汽油除油处理。由于除油工件表面呈碱性，所以要用水冲洗干净。 采用的除油剂的成分为20％NaOH、5％Na₂SO₄和10％Na₂CO₃混合水溶液，加热80-100℃ 浸泡20min；

所述除锈步骤采用硫酸或盐酸水溶液，所述硫酸溶液浓度为20％，温度40～60℃，时 间10～20min；所述盐酸溶液浓度为33％，温度10～30℃，时间5～30min，若表面锈蚀严 重，可适当延长酸洗时间。酸洗后用流动水冲洗1～2min，并要经常更换水洗槽。酸洗后零 件表面应无残余锈斑和暗块等痕迹，具有均匀的深灰色。晾干后才允许进入下一工序，采用 的除锈剂为常温33％工业盐酸，浸泡30min然后冲洗；

所述助镀步骤将经过前述预处理后的镀件置于助镀剂中进行助镀处理，在熔剂法钢材热 浸镀铝中，水溶液助镀是继除油、除锈之后的关键一步，它的作用是保护洁净的金属基体在 浸入铝液之前免受高温下空气的氧化，改善铁基体与铝液之间的界面浸润性，同时活化铁基 体表面。采用的助镀剂：10％的ZnCl₂水溶液加热80-100℃浸泡10-20min助镀；通过助镀 处理后，在镀件表面形成完整且无孔隙的保护膜，有效防止了预处理的镀件被氧化。

铝液表面覆盖剂：用于热浸镀铝熔铝时，覆盖剂一般由碱金属及碱土金属的氯化物及氟 化物组成，主要成分是KCl，NaCl，Na₃AlF₆等。氯盐对固态氧化铝夹杂物和氧化膜有很强的 浸润能力，在熔体温度下密度远小于铝液，能很好的铺展在铝液表面，破碎和吸附熔体表面 的氧化膜。且氯化物表面张力小，润湿性好。本试验所选择的覆盖剂：80％KCl+10％NaCl +10％Na₃AlF₆。

除气剂：用于热浸镀铝精炼时，采用MnCl₂，加入量为3％。

所述热浸镀铝步骤采用可控温式井式炉进行热浸镀铝锰合金实验，将工业铝锭放入石墨 坩埚在井式坩埚炉中加热，待温度升高至780～850℃铝溶解成熔融铝时，再向其中缓慢加 入Mn颗粒，并用碳棒不停的搅拌5～10min，然后精炼除渣，最后将已经预处理的试样浸 入铝液中，15min后取出。

本发明所述铝锰合金镀层的组成成分：所制备的Al-Mn系镀层分别为Al-2％Mn、 Al-9％Mn、Al-13％Mn(wt％)合金镀层，Al-Mn-Mg系镀层分别为Al-2％Mn-4％Mg、 Al-2％Mn-2％Mg、Al-4％Mn-4％Mg、Al-4％Mn-3％Mg合金镀层。

采用热浸镀铝技术在Q235钢表面制备铝锰系合金层的步骤如下：

实施例1

(1)镀件预处理。清洁镀件表面，清除表面油污和氧化层以及杂质。先用砂纸打磨， 然后将镀件置入浓度为20％NaOH、浓度为5％Na₂SO₄和浓度为10％Na₂CO₃混合水溶液中， 温度为100℃，时间为20min，除去镀件表面的油污，再用水洗去镀件表面残余的碱。随后 将镀件置入盐酸(33％)水溶液中，浸泡30min然后冲洗，除去镀件表面的铁锈，用水洗去 镀件表面残留的盐酸；

(2)助镀处理。将经过前述预处理后的镀件置入10％的ZnCl₂助镀剂水溶液中，助镀 温度为100℃，时间为10min。然后将经过助镀处理的镀件干燥；

(3)熔融铝锭。在井式炉中熔炼铝锭和表面覆盖剂的混合液。加热至850℃，使铝锭 充分熔化，具有一定流动性。所采用的表面覆盖剂组成为80％KCl+10％NaCl+10％ Na₃AlF₆。向铝液中缓慢加入4％的Mn颗粒，并用碳棒不停的搅拌5～10min。随后加入3％ 的MnCl₂精炼除气。

(4)热浸镀处理。将经过前处理和助镀后的镀件缓慢浸入Al-Mn熔体中进行浸镀，浸 镀时间为15min。随后以一定的提拉速度将镀件从铝熔体中取出，放置空气中自然冷却，使 镀层充分凝固。所得到的热浸镀Al-2％Mn合金镀层表面平整，镀层致密均匀，呈银灰色， 无漏镀缺陷，附着力好。

实施例2

本实验方式与具体实施例一不同的是步骤三——熔融铝锭过程中，向铝液中缓慢加入 18％的Mn颗粒，其他步骤及参数与具体实施方式一相同，从而得到热浸镀Al-9％Mn合金 镀层。

实施例3

本实验方式与具体实施例一不同的是步骤三——熔融铝锭过程中，向铝液中缓慢加入 26％的Mn颗粒，其他步骤及参数与具体实施方式一相同，从而得到热浸镀Al-13％Mn合金 镀层。

实施例4

本实验方式与具体实施例一不同的是步骤一——镀件预处理过程中，试样先经碱洗清除 表面油污后，再将镀件置入盐酸(33％)水溶液中，温度30℃，浸泡5min然后冲洗，除去 镀件表面的铁锈，用水洗去镀件表面残留的盐酸；其他步骤及参数与具体实施方式一相同， 从而得到热浸镀Al-2％Mn合金镀层。

实施例5

本实验方式与具体实施例二不同的是步骤一——镀件预处理过程中，试样先经碱洗清除 表面油污后，再将镀件置入盐酸(33％)水溶液中，温度20℃，浸泡20min然后冲洗，除去 镀件表面的铁锈，用水洗去镀件表面残留的盐酸；其他步骤及参数与具体实施方式二相同， 从而得到热浸镀Al-9％Mn合金镀层。

实施例6

(1)镀件预处理。先用砂纸打磨，然后将镀件置入20％NaOH、5％Na₂SO₄和10％Na₂CO₃混合水溶液中，温度为100℃，时间为20min，除去镀件表面的油污，再用水洗去镀件表面 残余的碱。随后将镀件置入硫酸(20％)水溶液中，浸泡20min然后冲洗，除去镀件表面的 铁锈和残留的硫酸。

(2)助镀处理。将经过前述预处理后的镀件置入10％的ZnCl₂助镀剂水溶液中，助镀 温度为80℃，时间为10min。然后将经过助镀处理的镀件干燥；

(3)熔融铝锭。在井式炉中熔炼铝锭和表面覆盖剂的混合液。加热至850℃，使铝锭 充分熔化，具有一定流动性。所采用的表面覆盖剂组成为80％KCl+10％NaCl+10％ Na₃AlF₆。向铝液中缓慢加入4％的Mn颗粒，并用碳棒不停的搅拌10min。然后缓慢加入 8％Mg颗粒，搅拌5min。随后加入3％的MnCl₂精炼除气。

(4)热浸镀处理。将经过前处理和助镀后的镀件缓慢浸入Al-Mn-Mg熔体中进行浸镀， 浸镀10min。随后以一定的提拉速度将镀件从铝熔体中取出，放置空气中自然冷却，使镀层 充分凝固。所得到的热浸镀Al-2％Mn-4％Mg合金镀层表面平整，镀层致密均匀，呈银白色， 无漏镀缺陷，附着力好。

实施例7

本实验方式与具体实施例6不同的是步骤(3)——熔融铝锭过程中，先向铝液中缓慢 加入4％Mn颗粒，搅拌10min后再缓慢加入4％Mg颗粒继续搅拌5min，其他步骤及参数 与具体实施方式六相同，从而得到热浸镀Al-2％Mn-2％Mg合金镀层。

实施例8

本实验方式与具体实施例6不同的是步骤(3)——熔融铝锭过程中，先向铝液中缓慢 加入8％Mn颗粒，搅拌10min后再缓慢加入8％Mg颗粒继续搅拌5min，其他步骤及参数 与具体实施方式六相同，从而得到热浸镀Al-4％Mn-4％Mg合金镀层。

实施例9

本实验方式与具体实施例6不同的是步骤(1)——镀件预处理过程中，试样先经碱洗 清除表面油污后，随后将镀件置入硫酸(20％)水溶液中，温度60℃，浸泡10min然后冲洗， 除去镀件表面的铁锈和残留的硫酸。其他步骤及参数与具体实施方式六相同，从而得到热浸 镀Al-2％Mn-4％Mg合金镀层。

实施例10

本实验方式与具体实施例8不同的是步骤(3)——熔融铝锭过程中，将铝锭加热至800 ℃，使铝锭充分熔化，具有一定流动性。先向铝液中缓慢加入8％Mn颗粒，搅拌10min后 再缓慢加入8％Mg颗粒继续搅拌5min，其他步骤及参数与具体实施方式8相同，从而得到 热浸镀Al-4％Mn-4％Mg合金镀层。

以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的 技术范围内，可显而易见地得到技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围 内。