一种用于锌铝镁稀土共渗层的共渗剂

摘要

本发明涉及属于金属材料表面技术领域，特别涉及一种用于锌铝镁稀土共渗层的共渗剂。锌铝镁三元共渗层合金成分范围，35％-48％Al、5％-9％Mg、26％-53％Zn、其余为金属基材，共渗剂其成分质量百分比如下：ZnCl

说明书

技术领域：

本发明涉及金属材料表面化学热处理领域，特别涉及一种用于锌铝镁稀土共渗层的共渗 剂。

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、渗锌以及锌铝镁稀土合金共渗 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。

Samuel R.Cross.等[Computational design and optimization of multilayered and functionally  graded corrosion coatings.Corrosion Science.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[Chemistry of  corrosion products on Zn-Al-Mg alloy coated steel.Corrosion Science.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。

常规的锌铝合金共渗方法包括两个主要过程：热浸过程和扩散过程，其中扩散过程一般 为数小时，耗能高，工艺时间长，且共渗层比例不明显。

因此实现快速、高效制备锌铝镁共渗层，实现其工业化生产，成为目前锌铝镁共渗工艺 的难点。本发明主要是为解决现有技术中热浸镀锌铝镁存在的工艺要求高、镀层表面不均匀、 无法形成高性能渗层等不足与问题。

发明内容：

本发明提供了一种适用于金属材料的铝、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的锌铝镁稀土共渗层及制备方法

本发明是通过以下措施实现的：

一种用于锌铝镁稀土共渗层的共渗剂，各组分的重量百分数如下：

ZnCl₂ 15％-25％；CaF₂ 3％-6％；NaF 10％-15％；CeCl₂ 0.5-3.5％；SnCl₂ 6％-10％；CaCl₂4.5％-6.5％；H₂O₂ 0.5-2％；K₂MnO₄ 0.1％-0.4％；复合表面活性剂1％-2.5％，其余为水。

其中，锌铝镁稀土合金共渗层中各组分含量如下：35％-48％Al、5％-9％Mg、26％-53％Zn、 1％-3％含Ce混合稀土(稀土为市售Al-RE合金)、其余为金属基材。

优选的是，所述复合表面活性剂为脂肪醇醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚、全氟辛基磺酰 季碘化物或脂肪酸二乙醇胺中的一种及其混合物。

当制备锌-35％、铝-8％、Mg-1％、含Ce混合稀土共渗层时，所述共渗剂的优选配比为：

ZnCl₂ 15％；CaF₂ 3％；NaF 10％；CeCl₂ 0.5％；SnCl₂ 6％；CaCl₂ 4.5％；H₂O₂ 0.5％；K₂MnO₄0.1％；复合表面活性剂1％，其余为水。

当制备锌-41％、铝-10％、Mg-2％、含Ce混合稀土共渗层时，所述共渗剂的优选配比为：

ZnCl₂ 20％；CaF₂ 4.5％；NaF 13％；CeCl₂ 2％；SnCl₂ 8％；CaCl₂ 5％；H₂O₂ 1.2％；K₂MnO₄0.2％；复合表面活性剂1.8％，其余为水。

当制备锌-48％、铝-13％、Mg-3％、含Ce混合稀土共渗层时，所述共渗剂的优选配比为：

ZnCl₂ 25％；CaF₂ 6％；NaF 15％；CeCl₂ 3.5％；SnCl₂ 10％；CaCl₂ 6.5％；H₂O₂ 2％；K₂MnO₄0.4％；复合表面活性剂2.5％，其余为水。

上述的任一共渗剂在制备锌铝镁稀土合金共渗层中的应用，将经超声波清洗过的金属构 件浸入80-90℃的所述的共渗剂中0.5-3min，在120-150℃下烘干15-25s，然后在锌铝镁稀土 合金液中进行热浸，持续时间为0.5-2.5min。

本发明涉及共渗剂不含易挥发铵盐类成分，能有效降低环境污染。本发明中NaF、CaF₂含量高，其主要作用是剥离金属构件的铁盐及氧化物，并将脱离剥离的铁盐杂质和氧化物杂 质包裹。带至锌铝镁合金液表面，且在金属表面形成界面活化，有利于提高锌铝镁稀土合金 与金属构件冶金结合度，避免共渗层脱落；适量的CeCl₂，主要作用是与金属中的铁发生反应， 在钢丝表面先置换形成Ce薄层，降低铝对热浸过程的危害；添加适量H₂O₂、K₂MnO₄可以使 金属表面的亚铁盐氧化成有利于形成锌铝镁稀土合金共渗层的三价铁。本发明中复合表面活 性剂作用是降低金属构件的表面张力，提高合金液润湿性，同时与共渗剂其他成分一起有效 地降低锌铝镁稀土共渗合金过程中高铝、镁含量所导致的剂失效和共渗层与金属材料间结合 度差等现象。

本发明通过合理的共渗剂配方在金属表面利用热浸过程得到锌铝镁稀土合金共渗层。共 渗层与金属构件各自保持原有的性能，共渗层结构致密。共渗层耐蚀性能是普通铝渗层的2～4 倍。该共渗剂成本低，可重复使用、易工业化生产，能广泛适用于35％-48％Al、5％-9％Mg、 1％-3％含Ce混合稀土含量的锌铝镁稀土合金共渗工艺。

附图说明

图1实施例3锌铝镁稀土共渗层表面成分分析图

具体实施方式：

下面结合实施例进一步说明：

实施例1：获得锌-35％、铝-5％、Mg-1％、含Ce混合稀土共渗层的共渗剂配方，组分如下：

ZnCl₂ 15％；CaF₂ 3％；NaF 10％；CeCl₂ 0.5％；SnCl₂ 6％；CaCl₂ 4.5％；H₂O₂ 0.5％；K₂MnO₄0.1％；脂肪醇醚硫酸钠1％，其余为水。

金属构件经脱脂、酸洗、碱洗流程后，浸入80℃所述的共渗剂中，在120℃下烘干15s， 然后在锌铝镁稀土合金液中进行热浸0.5min，冷却后金属表面光洁度良好。共渗层厚度约为 20μm，中性盐雾试验结果显示出现锈点时间500h，传统热镀锌出现锈点时间为140h，使用 寿命高于热浸镀纯锌。

实施例2：获得锌-41％、铝-7％、Mg-2％、含Ce混合稀土共渗层的共渗剂配方，组分如下：

ZnCl₂ 20％；CaF₂ 4.5％；NaF 13％；CeCl₂ 2％；SnCl₂ 8％；CaCl₂ 5％；H₂O₂ 1.2％；K₂MnO₄0.2％；、脂肪醇聚氧乙烯醚1.8％，其余为水。

金属构件经脱脂、酸洗、碱洗流程后，浸入85℃所述的共渗剂中，在110℃下烘干20s， 然后在锌铝合金液中进行热浸2min，冷却后金属表面光洁度良好。共渗层厚度约为25μm， 中性盐雾试验结果显示出现锈点时间780h，传统热镀锌出现锈点时间为140h，使用寿命高于 热浸镀纯锌。

实施例3：获得锌-48％、铝-9％、Mg-3％、含Ce混合稀土共渗层的共渗剂配方，组分如下：

ZnCl₂ 25％；CaF₂ 6％；NaF 15％；CeCl₂ 3.5％；SnCl₂ 10％；CaCl₂ 6.5％；H₂O₂ 2％；K₂MnO₄0.4％；、全氟辛基磺酰季碘化物或脂肪酸二乙醇胺2.5％，其余为水。

金属构件经脱脂、酸洗、碱洗流程后，浸入90℃所述的共渗剂中，在120℃下烘干25s，然后 在锌铝合金液中进行热浸3min，冷却后金属表面光洁度良好。共渗层厚度约为35μm，中性 盐雾试验结果显示出现锈点时间1070h，传统热镀锌出现锈点时间为140h，使用寿命高于热 浸镀纯锌。

对上述锌铝镁稀土共渗层表面成分进行分析，结构如图1所示：

处理选项：已分析所有元素(已归一化)

本发明针对锌铝镁稀土共渗技术，提供能够获得高铝、高镁含量，形成稳定锌铝镁稀土 共渗层的共渗剂，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稀土 共渗层。该制备方法成本低，易工业化生产制备。经盐雾试验结果显示金属构件表面锌铝镁 稀土合金共渗层的出现锈点时间明显晚于锌镀层。因此，具有锌铝镁稀土共渗层的金属构件 拥有更优异的耐蚀性能，适合大规模工业生产。