一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂及其应用工艺

摘要

本发明公开了一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂，具有以下原料及其重量份数配比：铝粉40~48份，锌粉32~37份，硅铁粉1~5份，稀土氧化铈0.5~3份，蒙脱石粉0.5~3，氯化铵0.5~5份，硼砂0.5~5份，氧化铝8~25份；各原料按配比合成100份，均匀搅拌混合。所述应用工艺是：将粉末渗剂置于陶瓷或金属箱中，欲渗钢铁件埋于粉末渗剂内，合箱盖、用泥密封；采用高温区390~410℃保温6min与低温区360~380℃保温3min循环震荡加热；总保温时间到20~180min时停止加热；缓冷至室温，开箱取出钢铁件。本发明渗速快、不粘结，多元合金防护层耐潮湿、耐高温、防腐蚀性能高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂及其应用工艺，属于钢铁件的表面防护 技术领域，具体涉及在钢铁件表面形成铝锌硅稀土铁多元合金防护层的化学热处理行业。

背景技术

汽车零部件、水暖器具、建筑五金件，化工、冶金、热加工、输变电等工程中使用的 钢铁件，以及烟囱管，烤箱、照明器和日光灯罩等用的钢铁件，常常需要同时具有耐潮湿大 气腐蚀和耐高温等性能的防护层。铝和锌是较高温度工作的钢铁件表面防护中最常使用的 化学元素。

热浸镀锌铝层，厚度一般在15～130μm，主要优点是镀层的塑性和附着性好，因而 变形前后的耐腐蚀性不变，其耐大气腐蚀特性比常规热镀锌高许多，并具有良好的涂敷性， 可使合金层和外涂层间的结合长期保持稳定。但钢铁构件的平面与边角镀层厚度有明显差 别，均匀性差，不易控制。

锌铝涂层是将水性锌铝涂料通过浸涂、刷涂或喷涂于钢铁件表面，经烘烤形成的 一种超细锌鳞片和铝鳞片叠合包裹在特殊粘结剂中的无机涂层，是近年来在锌铬涂层即达 克罗基础上发展起来的一种新型环保型金属表面处理技术，有些资料中也称为无铬锌铝涂 层、或无铬达克罗。涂覆过程，常采用浸渍后离心甩干法、喷涂法、刷涂法或直接浸渍后在重 力下放置的沥液法，使钢铁件表面形成粘结涂层，而后烘烤的涂覆工艺。通常，涂覆工艺需 要重复两遍，第一遍涂覆后的钢铁件，需要在170℃下烘烤15min，然后进行第二遍涂覆，并 在300℃下烘烤15min。通过调整涂覆过程的工艺参数可以得到不同的涂层厚度。涂层中无 金属铬、耐腐蚀性能和耐热性能良好，而且深涂性能和再涂装性能良好。但是，这种方法形 成的锌铝涂层表面硬度偏低，耐磨损、抗划伤能力较弱。

当处理带有螺纹、凹槽和内孔等复杂形状和小尺寸的钢铁件时，上述工艺均存在 一定难度。因此，迫切需要寻找一种既能利用铝锌涂层优点，又能克服其工艺和性能上局限 性的工艺方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂及其应用工艺， 使高温下工作的带有螺纹、凹槽和内孔等复杂形状和小尺寸的钢铁件，能够形成铝锌硅稀 土铁多元合金防护层。为此，本发明采取的技术方案是：一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂，其 特征在于，具有以下原料及其重量份数配比：铝粉40~48份，锌粉32~37份、硅铁粉1~5份、稀 土氧化铈0.5~3份、蒙脱石粉0.5~3份，氯化铵0.5~5份、硼砂0.5~5份，氧化铝8~25份。

所述铝粉为颗粒直径0.1~0.5μm，含铝99.7%以上；所述锌粉为颗粒直径10~40nm， 含锌99.9%以上；所述硅铁粉为颗粒直径15~25μm，含硅75%以上；所述稀土氧化铈为颗粒直 径20~40nm，含氧化铈99.9%以上；所述蒙脱石粉为颗粒直径5~20μm，含蒙脱石95%以上；所述 氯化铵为颗粒直径5~20μm，含氯化铵98%以上；所述硼砂为颗粒直径5~20μm，含硼砂95%以 上；所述氧化铝为颗粒直径30~60nm，含氧化铝99.9%以上；所述各原料按重量份数配比合成 100份，均匀搅拌混合在一起。

一种如上所述的铝锌硅稀土复合粉末渗剂的应用工艺，其特征在于，其工艺步骤 如下：

（1）将所述粉末渗剂撒在陶瓷或金属箱底；欲渗钢铁件分散放置在粉末渗剂上，并用粉 末渗剂覆盖，使钢铁件周围有20mm以上厚度的粉末渗剂；盖上箱盖，用泥密封；

（2）将此箱加热到高温区390~410℃，保温6min；再降温到低温区360~380℃，保温3min； 高温区保温与低温区保温循环进行；

（3）总保温时间达到20~180min时，停止加热；缓慢冷却至室温，开箱取出钢铁件，剩余 粉末渗剂回收利用。

上述铝锌硅稀土复合粉末渗剂中铝粉、锌粉、硅铁粉、稀土氧化铈、蒙脱石粉、氯化 铵、硼砂的重量份数配比越多，多元合金防护层形成越快，但粉末渗锌剂易结块、易与钢铁 件表面粘结。

上述铝锌硅稀土复合粉末渗剂的应用工艺中，选择的总保温时间越长，钢铁件表 面所获得的铝锌硅稀土铁多元合金防护层越厚。铝锌硅稀土铁多元合金防护层的厚度应根 据钢铁件的具体使用环境确定，一般在5～80μm范围内选取为宜，并通过调整保温时间准确 控制在某一厚度值附近。

铝粉是形成铝锌硅稀土铁多元合金防护层的主渗元素，也是提高耐高温防腐蚀性 最有效的合金元素之一；质轻、遮盖力强、对光和热反射性好，还原性好、极易氧化。

锌粉也是形成铝锌硅稀土铁多元合金防护层的主渗元素，活性高，耐蚀性好，环 保；分散性好，粒度均匀，具有很强的还原性；比表面积大，遮盖效率高。

硅铁粉是形成铝锌硅稀土铁多元合金防护层的附渗元素，也是强脱氧剂。选取含 硅量大于75%的硅铁合金微粒经反复研磨、筛选得到的超细微粒。

稀土氧化铈既是形成铝锌硅稀土铁多元合金防护层的附渗元素，又是常用的催化 剂或催化剂助剂。多余的稀土进入多元合金防护层，也有利于其性能的提高。

蒙脱石粉是由含水铝硅酸盐构成的矿物经反复研磨、筛分获得，有较高的离子交 换容量和吸水膨胀能力，能防止粉末渗剂受潮结块起干燥和分散作用；能防止钢铁件表面 在装炉和升温阶段氧化、钝化，保持表面活性，起活化作用。

氯化铵主要起活化、助吸附作用。氯化铵为无色或白色结晶性粉末；无臭，味咸、 凉；有引湿性，在水中易溶。

硼砂是无色半透明或白色结晶粉末，常作为钎焊的活性助焊剂，用以清除钢铁件 表面上的氧化物，净化金属表面，在本发明中起活化作用和助吸附作用。

氧化铝主要起分散、防粘结作用。应选高纯度、纳米级超细微粉，便于活性原子的 迁移。

在360~410℃温度下，钢铁件被上述铝锌硅稀土复合粉末渗剂包围，在多原料的吸 湿、催化、活化、助吸附、分散联合作用下，活性铝原子、锌原子、硅原子、稀土原子被钢铁件 表面吸附、聚集、进而向里扩散，与铁原子形成多元合金防护层；在应用工艺中分高温区保 温与低温区保温的循环震荡式加热，相当于高温下的自然时效，有利于活性原子向钢铁件 内扩散，有利于多元合金防护层的形成和加深。

钢铁件经上述铝锌硅稀土复合粉末渗剂及其应用工艺处理后，最外表面防护以铝 为主，铝极易形成稳定、致密的化合物，本身是一层致密的保护膜。这种保护膜与多元合金 防护层结合牢固，并且是很难溶解的腐蚀产物，阻挡腐蚀的进一步发生，从而保护了钢铁 件，形成第一重保护；多元合金防护层组织致密，本身具有良好的防腐蚀能力，形成第二重 保护；在潮湿的环境中，锌常作为阳极，而钢铁件内的铁作为阴极，具有非常有效的牺牲阳 极、保护阴极的电化学防腐蚀作用，使钢铁件得到有效的第三重保护。

总之，上述铝锌硅稀土复合粉末渗剂及其应用工艺，既充分发挥了铝所具有的长 期耐腐蚀性、耐热性，又充分发挥了锌所具有的电化学防腐效果，比单一镀锌钢铁件的耐腐 蚀性强2~4倍。同时，具有优良的附着力和柔性，热反射也比镀锌钢板高出2倍。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明所述铝锌硅稀土复合粉末渗剂，除主渗元素铝、锌和附渗元素硅、稀土以外， 还含有起吸湿、催化、助催化、活化、助吸附、分散作用的原料，铝原子、锌原子、硅原子、稀土 原子活性强，易被钢铁件表面吸附、聚集、进而向里扩散，能有效缩短工艺时间；

（2）应用工艺中采用震荡式加热保温，有利于活性原子的迁移以及向钢铁件内部扩散；

（3）采用本发明所述铝锌硅稀土复合粉末渗剂及其应用工艺，所形成的铝锌硅稀土铁 多元合金防护层组织致密、均匀、覆盖好，提高了耐潮湿大气腐蚀性能和耐高温腐蚀性能；

（4）起吸湿、分散作用的原料能使粉末渗剂在工艺实施过程中不结块、便于回收再利 用；不与钢铁件粘结，易于钢铁件的清理。

具体实施方式

实施例1一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂，采用下述重量份数的原料制成：铝粉42 份、锌粉33份、硅粉2份，稀土氧化铈1.5份、蒙脱石粉1份、氯化铵2份、硼砂1.5份，氧化铝17 份；各原料均匀搅拌混合在一起。

所述铝粉为颗粒直径0.1~0.5μm，含铝99.7%以上；所述锌粉为颗粒直径10~40nm， 含锌99.9%以上；所述硅铁粉为颗粒直径15~25μm，含硅75%以上；所述稀土氧化铈为颗粒直 径20~40nm，含氧化铈99.9%以上；所述蒙脱石粉为颗粒直径5~20μm，含蒙脱石95%以上；所述 氯化铵为颗粒直径5~20μm，含氯化铵98%以上；所述硼砂为颗粒直径5~20μm，含硼砂95%以 上；所述氧化铝为颗粒直径30~60nm，含氧化铝99.9%以上。

上述铝锌硅稀土复合粉末渗剂的应用工艺，其具体步骤如下：

（1）将所述粉末渗剂撒在陶瓷或金属箱底；欲渗钢铁件分散放置在粉末渗剂上，并用粉 末渗剂覆盖，使钢铁件周围有20mm以上厚度的粉末渗剂；盖上箱盖，用泥密封；

（2）将此箱加热到高温区390~400℃，保温6min；再降温到低温区360~370℃，保温3min； 高温区保温与低温区保温循环进行；

（3）总保温时间达到70min时，停止加热；缓慢冷却至室温，开箱取出钢铁件，剩余粉末 渗剂回收利用。

实施例2一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂，采用下述重量份数的原料制成：铝粉45 份、锌粉35份、硅粉2份，稀土氧化铈1份、蒙脱石粉1份、氯化铵2份、硼砂2份，氧化铝12份；各 原料均匀搅拌混合在一起。

所述铝粉为颗粒直径0.1~0.5μm，含铝99.7%以上；所述锌粉为颗粒直径10~40nm， 含锌99.9%以上；所述硅铁粉为颗粒直径15~25μm，含硅75%以上；所述稀土氧化铈为颗粒直 径20~40nm，含氧化铈99.9%以上；所述蒙脱石粉为颗粒直径5~20μm，含蒙脱石95%以上；所述 氯化铵为颗粒直径5~20μm，含氯化铵98%以上；所述硼砂为颗粒直径5~20μm，含硼砂95%以 上；所述氧化铝为颗粒直径30~60nm，含氧化铝99.9%以上。

上述粉末渗锌剂的使用方法，其具体步骤如下：

（1）将所述粉末渗剂撒在陶瓷或金属箱底；欲渗钢铁件分散放置在粉末渗剂上，并用粉 末渗剂覆盖，使钢铁件周围有20mm以上厚度的粉末渗剂；盖上箱盖，用泥密封；

（2）将此箱加热到高温区395~405℃，保温6min；再降温到低温区365~375℃，保温3min； 高温区保温与低温区保温循环进行；

（3）总保温时间达到45min时，停止加热；缓慢冷却至室温，开箱取出钢铁件，剩余粉末 渗剂回收利用。

实施例3一种铝锌硅稀土复合粉末渗剂，采用下述重量份数的原料制成：铝粉47 份、锌粉37份、硅粉2份，稀土氧化铈1份、蒙脱石粉1份、氯化铵1.5份、硼砂1.5份，氧化铝9 份；各原料均匀搅拌混合在一起。

所述铝粉为颗粒直径0.1~0.5μm，含铝99.7%以上；所述锌粉为颗粒直径10~40nm， 含锌99.9%以上；所述硅铁粉为颗粒直径15~25μm，含硅75%以上；所述稀土氧化铈为颗粒直 径20~40nm，含氧化铈99.9%以上；所述蒙脱石粉为颗粒直径5~20μm，含蒙脱石95%以上；所述 氯化铵为颗粒直径5~20μm，含氯化铵98%以上；所述硼砂为颗粒直径5~20μm，含硼砂95%以 上；所述氧化铝为颗粒直径30~60nm，含氧化铝99.9%以上。

上述粉末渗锌剂的使用方法，其具体步骤如下：

（1）将所述粉末渗剂撒在陶瓷或金属箱底；欲渗钢铁件分散放置在粉末渗剂上，并用粉 末渗剂覆盖，使钢铁件周围有20mm以上厚度的粉末渗剂；盖上箱盖，用泥密封；

（2）将此箱加热到高温区400~410℃，保温6min；再降温到低温区370~380℃，保温3min； 高温区保温与低温区保温循环进行；

（3）总保温时间达到30min时，停止加热；缓慢冷却至室温，开箱取出钢铁件，剩余粉末 渗剂回收利用。

使用上述铝锌硅稀土复合粉末渗剂及其应用工艺处理Q235钢螺栓、10钢排烟管 等，获得了致密、均匀、覆盖好、耐腐蚀性能优良的多元合金防护层，且工艺时间短、粉末渗 剂没有粘结、钢件表面光洁。其中，实施例2的工艺时间较短，粉末渗剂不结块、便于回收再 利用，不与钢铁件粘结、易于钢铁件的清理，多元合金防护层与钢铁件内部金属结合牢固， 具有较高的耐高温、耐潮湿大气腐蚀寿命，兼顾了更多方面的优点。