[发明专利]一种锌钛共渗剂及其用于钢铁材料的共渗方法

说明书

本发明公开了一种锌钛共渗剂及用于钢铁材料的共渗方法，锌钛共渗剂由锌粉、钛粉、氯化铵及三氧化二铝组成。钢铁材料锌钛共渗的方法是：将金属基体进行除油、除锈处理后，与锌钛共渗剂置于密封环境中进行退火处理，冷却；锌钛共渗能改变单一渗锌的渗层组织，形成锌钛渗层组织，此组织降低渗层的自腐蚀电位和腐蚀电流密度，提高钢铁材料耐腐蚀性。

技术领域

本发明涉及表面化学热处理技术领域，具体涉及钢铁材料表面锌钛共渗剂及共渗层的制备方法。

背景技术

粉末渗锌是利用固态热扩散方法使金属原子在热处理过程中相互渗透扩散，锌及其合金元素在加热活化状态下渗入钢铁构件基体表面形成锌铁合金保护层，从而起到对基体材料的防护作用，形成的锌铁合金层即为渗锌层。粉末渗锌因其具有无氢脆、结合强度高、耐腐蚀好等一系列优点，而被广泛应用于金属件表面防腐处理中。

目前渗锌件主要应用大气环境防腐。由于海洋环境复杂、恶劣，且氯离子浓度较高，而渗锌层的耐盐雾腐蚀能力较弱，所以其在海洋环境中的耐蚀能力远不能满足要求。随着海洋工业的发展，各种海洋基础设施不断兴建，如海洋的钻采平台、油气输送、海上风电等，开发适用于海洋环境的渗锌涂层将是今后的发展方向。

多元共渗是提高渗锌层在海洋环境中耐蚀能力一种简单可行的方法，是以Zn为主元添加少量耐海水腐蚀的合金元素，不仅能发挥渗锌层原有的优点，弥补其缺点，同时也会赋予渗层更加优良的耐蚀性能。

Zn-X共渗中元素有Al、Cr、Y、Ni等。Chliampalias等(D.Chaliampalias,M.Papazoglou,S.Tsipas, E.Pavlidou,S.Skolianos,G.Stergioudis,G.Vourlias.Theeffect of Al and Cr additions on pack cementation zinc coatings[J].AppliedSurface Science,2009,256(11):3618-3623)将Al和Cr加入渗锌剂中，成功制备出了Zn-Al和Zn-Cr共渗层。结果表明两种共渗层都具有双层结构，内层是Fe-Zn相，外层是Al或Cr元素形成的富Al或Cr相。相比于纯锌层的性能，Zn-Al和Zn-Cr 渗层的高温氧化性能得到很大的提升。Shen等(T.H.Shen,C.Y.Tsai,C.S.Lin.Growth behavior and properties of Zn–Alpack cementation coatings on carbon steels[J].SurfaceCoatings Technology,2016,306:455-461)研究了不同工艺参数下Zn-Al共渗层的组织，结果表明共渗层也具有双层结构，内层是Fe-Zn相，外层是含少量Zn的Al-Fe相。Al-Fe层的生长是抢夺Fe-Zn层的Fe原子进行的，且在高温下Zn的蒸发会在Al-Fe层上留下气孔。Liu等(L.Liu,S.R.Yu.AComparative study on Zn and Zn-Y coatings on 42CrMo steel by pack cementationprocess[J].International Journal of Electrochemical Science,2017,12(10):9575-9587)研究了Zn-Y共渗层的组织和性能，结果表明Y原子会在Fe-Zn层外形成YZn₅，而且Zn-Y渗层的形成能会降低，这更有利于其形成。对耐腐蚀性能来说，Y的加入能提高纯锌层对Cl^-和O₂的渗透能力。中国专利公开号 CN 101319300A“锌镍渗层黑色金属防腐工艺”公开了一种锌镍渗层的组分及粉末渗工艺，其中镍粉含量0.5wt％-1.4wt％，但是在500℃以内进行粉末渗处理时，镍很难渗进去形成渗层，因此难以形成高耐腐蚀的渗层，其耐腐蚀性能与传统粉末渗锌基本相当，并没有达到提高渗层耐腐蚀性的效果。