基於納米技術在低碳鋼板表面製備硼鐵合金化處理方法
2023-05-27 09:33:41 1
專利名稱：基於納米技術在低碳鋼板表面製備硼鐵合金化處理方法
技術領域：
本發明涉及在低碳鋼表面作硼鐵合金化塗層的改性處理方法，屬於金屬表面熱處理技術領域。
背景技術：
納米技術是近年來發展起來的材料改性的新方法，已廣泛應用於納米材料的製備以及金屬表面改性。大約在20世紀90年代就有人開始在合金表面製備TiO2、Al2O3和SW2 塗層，並對它們的應用進行了廣泛的研究，被證實具有良好的抗高溫、耐腐蝕的能力。但單一組分或雙組分的氧化物塗層具有一定的局限性，為了更好的提高塗層的性能，人們開始嘗試製備多組分氧化物塗層，這樣會是薄膜更連續和緻密，提高材料的耐腐蝕性和熱穩定性。納米科學是20世紀80年代末誕生並正在迅猛發展的前沿性、交叉性的高科技新興學科領域。納米尺寸的金屬顆粒由於具有小尺寸效應、量子尺子效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等特殊的性質，因而具有不同於相應塊體材料的光學、電磁學及化學性能，與常規材料相比，它在材料科學、信息科學、催化及生命科學等領域具有無可比擬的優越性，在實際應用和理論上都具有極大的研究價值。此外，隨著技術的不斷發展，納米粉體及納米薄膜的製備、研究及應用也越來越廣泛。金屬表面合金化是在外界條件下表面生成鈍化膜或者是獲得與基體具有冶金結合的各種特殊的化合物層，使得材料的硬度、耐磨性、耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能提高， 這是一種重要的提高金屬機械性能的方法。其中，一種很重要的表面合金化處理方法就是金屬表面硼合金化。因為，硼化物層具有硬度高O^e2B為U90-1680HV，FeB為1890-2340HV)、耐蝕性、耐磨性好，抗高溫氧化性及紅硬性優良等優點。但由於目前滲硼處理的溫度較高，滲硼處理後零件的變形較大以及滲層較薄、滲層脆性較大等原因，限制了滲硼技術的推廣應用，為此國內外的專家學者在此方面做了大量的探索研究，如採取滲硼後獲得單相的!^e2B或滲硼後進行真空擴散而得到單相!^e2B滲硼的共晶化處理及共滲與複合滲等工藝來降低滲硼層的脆性，目前的研究方向主要是降低滲硼溫度，多元複合滲硼改善滲層顯微組織、顯微硬度、脆性和耐磨性，以及滲硼共晶化使滲層與基體呈冶金結合，從而改善以往的滲硼層脆性大，容易剝落等問題。基於前人的研究成果，本發明綜合了金屬塗層的表面處理技術、納米製備方法及鋼板表面合金化等熱點研究領域。先通過機械研磨法和超聲處理等技術相結合製備納米塗料，在低碳鋼表面噴塗富硼納米塗料，並在H2還原氣氛下塗層中納米!^e2O3被還原生成新生態的狗原子，其具有較高的活性，不斷攻擊FeB使之在金屬表面生成!^e2B相。Fe2B硬度高， 韌性好，與基板膨脹係數小等優點。一部分還原出的金屬狗原子溶入基體中，增強了硼合金化層與基體的結合力，均勻性也得到大幅度提高，從而對低碳鋼表面進行了改性。
發明內容
本發明提出了表面納米硼鐵塗層合金化(B-Fe)結構的製備方法，它不僅有效地增強了低碳鋼板的耐腐蝕性能，表面顯微硬度等性能，而且還有效地解決了傳統滲硼中存在的問題。本發明一種在低碳鋼板表面納米硼鐵合金化塗層處理方法，其特徵在於具有以下的過程和步驟
(1)將欲處理的低碳鋼板經無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，乾燥後備用；
(2)納米硼鐵塗料的製備
採用機械球磨法，將市售FeB粉與分析純!^e2O3按一定摩爾比均勻混合後放入球磨罐中，加入一定量的KOH控制一定的液固比，球磨數小時。製備工藝參數如下 FeB :Fe203= 1: (1 4)(摩爾比); FeB/Fe203 :EtOH= 15:80 (質量比)； 球磨時間=2(T30h ；最終製得納米硼鐵塗料； (3)將上述製得的納米硼鐵塗料均勻地噴塗於處理好的低碳鋼表面，自然乾燥後，在管式電阻爐中氫氣氛圍下進行熱處理，其工藝參數如下 溫度:700^1000°C ； 升溫梯度:10°C /min ； 熱處理時間2、h ； 降溫梯度爐冷； H2 氣流量為15(T200mL/min。
本發明的特點在於它不同於以往的金屬表面熱處理方法，本發明是基於納米技術，在金屬表面製備出富硼合金層，在氫氣還原氣氛下，！^e2O3被還原產生新生態的狗原子具有較高的活性，不斷攻擊FeB使之在金屬表面生成!^e2B相。！^e2B硬度高，韌性好，與基板膨脹係數小等優點，而FeB相是我們不希望得到的，雖然他的硬度很高，但是脆性大，後續處理中極易碎裂。本發明方法進行還原熱處理後，使得低碳鋼板表面獲得了均勻、附著力強的 !^e2B合金結構，其硬度從99HV提升到1100HV。通過電化學測試，合金化後的樣品腐蝕電位正移，從-832. 6mv變為-788. 4，腐蝕電流密度也明顯降低，從開始的59. 388μΑ/οπι2降低到 8. 784PA/Cm2，耐蝕效率達到85. 2%.充分表明合金化後的樣品具有較高的硬度，耐蝕性良好。結合現有的生產工藝，可實現大規模連續工業化生產，並提高低碳鋼板的各種機械性能以延長其服務壽命。
具體實施例方式現將本發明的具體實施敘述於下
實施例1 取低碳鋼板10X10X1. 6mm若干片，將其工作面用金相砂紙打磨，經無水乙醇、丙酮和去離子水依次清洗數分鐘後，乾燥，放置於乾燥箱中備用。在無水乙醇介質中，FeB和!^e2O3按摩爾比1:1，液固質量比15:80配料完成後，在球磨機上球磨30h，製備納米硼鐵塗料。用之前超聲分散IOmin後均勻噴塗到低碳鋼板表面，自然乾燥，然後於管式電阻爐中進行熱處理，其熱處理工藝參數為溫度為700°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
將表面獲得硼鐵合金結構的低碳鋼進行斷裂強度，硬度，耐蝕性等測試。實施例2 按照實施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質中，FeB和!^e2O3按摩爾比1:4，液固質量比15:80配料完成後，在球磨機上球磨30h，製備納米硼鐵塗料。用之前超聲分散IOmin後均勻噴塗到低碳鋼板表面，自然乾燥，然後在管式電阻爐中進行熱處理，其熱處理工藝參數為溫度為700°C，升溫速率10°C /min，保溫時間為8h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結構的低碳鋼進行斷裂強度，硬度，耐蝕性等測試。實施例3 按照實施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質中，FeB和!^e2O3按摩爾比1:1，液固質量比15:80配料完成後，在球磨機上球磨30h，製備納米硼鐵塗料。用之前超聲分散IOmin後均勻噴塗到低碳鋼板表面，然後在管式電阻爐中進行熱處理，其熱處理工藝參數為溫度為900°C，升溫速率10°C / min，保溫時間為2h，降溫梯度為爐冷。壓氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結構的低碳鋼進行斷裂強度，硬度，耐蝕性等測試。實施例4 按照實施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質中，FeB和Fii2O3按摩爾比1 4，液固質量比固定在15 80配料完成後，在球磨機上球磨30h，製備納米硼鐵塗料。用之前超聲分散IOmin後均勻噴塗到低碳鋼板表面，自然乾燥，然後在管式電阻爐中進行熱處理，其熱處理工藝參數為溫度為900°C， 升溫速率為10°C /min，保溫時間為8h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結構的低碳鋼進行斷裂強度，硬度，耐蝕性等測試。實施例5 按照實施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質中，FeB和!^e2O3按摩爾比1:1，液固質量比固定在15:80配料完成後，在球磨機上球磨30h，製備納米硼鐵塗料。使用之前超聲分散IOmin後均勻噴塗到低碳鋼板表面，自然乾燥，然後在管式電阻爐中進行熱處理，其熱處理工藝參數為溫度為 1000°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結構的低碳鋼進行斷裂強度，硬度，耐蝕性等測試。實施例6 按照實施例1的方法製備冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質中，FeB和!^e2O3按摩爾比1:4，液固比固定在15:80配料完成後， 在球磨機上球磨30h，製備納米硼鐵塗料。使用之前超聲分散IOmin後均勻噴塗到低碳鋼板表面，自然乾燥，然後在管式電阻爐中進行熱處理，其熱處理工藝參數為溫度為1000°C， 升溫速率為10°C /min，保溫時間為8h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
權利要求
1. 一種基於納米技術低碳鋼表面硼鐵合金化塗層處理方法，其特徵在於具有以下的過程和步驟(1)將欲處理的低碳鋼板經無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，乾燥後備用；(2)納米硼鐵塗料的製備採用機械球磨法，將市售FeB粉與分析純!^e2O3按一定摩爾比均勻混合後放入球磨罐中，加入一定量的KOH控制一定的液固比，球磨數小時；製備工藝參數如下FeB :Fe203= 1: (1 4)(摩爾比);粉體EtOH= 15:80 (質量比);球磨時間=2(T30h ；最終製得納米硼鐵塗料；(3)將上述製得的納米硼鐵塗料均勻地噴塗於處理好的低碳鋼表面，自然乾燥後，在管式電阻爐中氫氣氛圍下進行熱處理，其工藝參數如下溫度:700^1000°C ； 升溫梯度:10°C /min ； 熱處理時間2 8h ； 降溫梯度爐冷； 吐氣流量為150 200mL/min。
全文摘要
本發明涉及在低碳鋼表面硼鐵合金化塗層處理方法，綜合了金屬塗層的表面處理技術、納米製備方法及鋼板表面合金化等熱點研究領域。先通過機械研磨法和超聲處理等技術相結合製備納米塗料，在低碳鋼表面噴塗富硼納米塗料。H2還原氣氛下，塗層中納米Fe2O3被還原生成新生態的Fe原子，其具有較高的活性，不斷攻擊FeB使之在金屬表面生成Fe2B相。Fe2B具有硬度高，韌性好，耐蝕性高，與基板膨脹係數小等優點。另一部分被還原出的金屬Fe原子溶入基體中，增強了硼合金化層與基體的結合力，均勻性也得到大幅度提高，從而對低碳鋼表面進行了改性。本發明方法有效地提高了低碳鋼的耐腐蝕性能，表面顯微硬度，斷裂強度等性能，而且還有效地解決了傳統滲硼中存在的高溫，熱處理時間長等問題。
文檔編號C23C12/02GK102321862SQ20111025426
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月31日 優先權日2011年8月31日
發明者張磊, 朱振宇, 羅檢, 蔣繼波, 鍾慶東 申請人:上海大學