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一種均勻復合結構鋅鋁防護涂層及其制造方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410122868.9

申請日:

2014.03.28

公開號:

CN104946930A

公開日:

2015.09.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效 IPC(主分類):C22C 18/04申請日:20140328|||公開
IPC分類號: C22C18/04; B22F1/02; C23C24/08; B22F9/08 主分類號: C22C18/04
申請人: 寶山鋼鐵股份有限公司
發明人: 梁永立; 史弼; 楊曉萍; 張宇軍; 張俊寶
地址: 201900上海市寶山區富錦路885號
優先權:
專利代理機構: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙)31230 代理人: 劉立平; 陶芾
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410122868.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.10.31|||2015.11.04|||2015.09.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供了一種均勻復合結構鋅鋁防護涂層,并提供了該涂層的制備方法。包括配制Zn-Al合金成分,Al元素含量為5-35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質;采用霧化激冷的方法制備Zn-Al合金粉末,獲得顆粒內部為細小的枝晶組織粉末;然后利用高速惰性氣體和/或還原性氣體為載氣,在鋼鐵結構件表面高速噴射沉積100-500μm厚的Zn-Al合金涂層。本發明可以優化高速噴射沉積后的嚴重變形組織結構,釋放涂層內部壓應力,降低涂層脆性,改善成形性能。涂層組織與冷噴涂相比更加致密,硬度較熱鍍鋅提高20%以上,涂層的抗劃擦性能顯著提高。

權利要求書

權利要求書
1.  一種均勻復合結構鋅鋁防護涂層,其特征在于:所述涂層為Zn-Al合金組成,Al元素含量為5-35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質;所述粉末中心粒徑范圍為35-50μm,其中,粒徑≤10μm的粉末比例體積比不超過10%,粒徑≥80μm的粉末粒徑體積比不超過20%;所述顆粒內部為細小的枝晶組織。

2.  權利要求1所述均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于:包括:
a、配制Zn-Al合金成分,Al元素含量為5-35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質;
b、采用霧化激冷的方法制備Zn-Al合金粉末,獲得顆粒內部為細小的枝晶組織粉末;
c、然后利用高速惰性氣體和/或還原性氣體為載氣,在鋼鐵結構件表面高速噴射沉積100-500μm厚的Zn-Al合金涂層;最后對涂層進行均勻化退火處理,獲得由富Zn相和富Al相均勻分布的復合組織結構;所述均勻化退火處理包括涂層的熱處理、恒溫和冷卻過程。

3.  根據權利要求2所述的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于,步驟b所述霧化氣體為惰性氣體。

4.  根據權利要求2所述的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于,步驟b所述合金粉末中心粒徑范圍介于35-50μm,其中,粒徑≤10μm的粉末體積比不超過10%,≥80μm粉末粒徑的體積比不超過20%。

5.  根據權利要求2所述的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于,步驟c所述載氣為含H2或CO與氮氣混合氣體,或H2或CO與氦氣的混合氣體,或H2與氮氣、氦氣三者混合,或CO與氮氣、氦氣三者混合;其中H2或CO體積比小于3%。

6.  根據權利要求2所述的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于,步驟c所述高速噴射沉積過程中Zn-Al合金顆粒自身溫度小于0.3Tm,Tm為Zn-Al合金的熔點。

7.  根據權利要求2所述的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于,步驟c所述熱處理溫度范圍為250-350℃,保溫時間介于30-180min之間。

8.  根據權利要求2或7所述的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于,高速噴射沉積Zn-Al合金涂層熱處理隨爐加熱,加熱速率5-10℃/min。

9.  根據權利要求2所述的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,其特征在于,所述熱處理冷卻速率大于20℃/min。

說明書

說明書一種均勻復合結構鋅鋁防護涂層及其制造方法
技術領域
本發明涉及鋼鐵結構件表面防護領域,特別涉及冷噴涂技術和涂層均勻退火技術。
背景技術
鋼鐵材料表面鍍鋅或鋅合金是一種最常用、最有效的防護方法之一,特別是汽車、家電工業有著非常廣泛的應用,工業上一直是研究的熱點。申請號201010205272.7的專利公開了一種鋅鎂或鋅鋁鎂鍍層鋼板生產方法及其鋅鋁鎂鍍層鋼板,利用冷噴涂處理設備對鍍鋅鋼板進行冷噴涂鎂或鎂合金粉末,接著在連續退火爐中還原性保護氣氛下對鋼板進行熱處理,加熱后立即對鍍層進行冷卻至室溫,獲得鋅鋁鎂鍍層鋼板在鍍層表面含有鋁鎂,鍍層內部鋁鎂含量逐漸降低,與鋼板結合部位以鍍純鋅為主的覆膜鋼板,耐蝕性、加工性能和表面質量良好。申請號201110119690.9的專利公開一種金屬防腐涂層及其電弧噴涂工藝,金屬防付涂層包括鋅鋁合金底層、純鋁中間層和封閉漆面層,鋅鋁合金底層的厚度為100μm、純鋁中間層80-100μm、封閉漆面層的厚度70-90μm,漆面層材質為氟碳面漆。鋅鋁合金底層、純鋁金屬中層采用二次霧化電弧金屬的方式進行噴涂,封閉面漆層采用噴涂方式進行。申請號201010596519.2的專利公開了一種耐熔蝕FeAl金屬間化合物基復合機構涂層的制備方法,以Fe、Al及陶瓷顆粒為原料,以球磨方法制備出合金粉末,采用冷噴涂在基體上沉積涂層,通過熱處理制備出FeAl金屬間化合物基復合機構涂層,在一定氧分壓下使其表面形成一層均勻致密的Al2O3薄膜,該方法獲得的涂層自身具有較好的高溫耐磨損性能與耐Zn(Al)腐蝕性能,主要用于鋼鐵鍍鋅等行業。申請號JP59009162A的專利提供了一種鋼板表面耐蝕涂層的制備方法,首先用噴砂或其它方法線狀粗化鋼板表面,然后在鋼板表面噴涂Zn、Al或合金涂層,噴涂方法為冷態噴涂,細小的陽極犧牲材料(如Zn)放電熔化后由壓縮空氣驅動粘附在鋼板表面,具有很高的抗鐵銹能力。申請號CN99100887.1的專利公開了一種在鋼鐵表面浸鍍5%Al-Zn合金的方法,其步驟包括熱浸鍍鋅處理、鍍層厚度降低處理、和熱浸鍍5%Al-Zn合金,而于鋼鐵表面上獲得長效性的鍍層。經過本發明方法于鋼鐵表面 所形成的5%Al-Zn合金鍍層大部分為共晶結構,在界面處會形成Fe-Zn-Al三元結構的介金屬層,其大幅提升鋼鐵的抗蝕功能及具有優良機械性能,是優良的鍍膜。
然而,上述技術在鋼板表面制備ZnAl復合涂層一般環境溫度都很高(高于Zn或ZnAl熔點),液態鋅及鋅合金與鋼板基體接觸發生劇烈的化學反應易,極短時間內形成很厚脆性的金屬間化合物,工藝控制不當還會形成“爆發組織”,嚴重影響產品外觀形貌和成形性能。熱噴涂過程伴隨大量熱,使得噴涂材料極易發生氧化、相變而影響涂層的性能,嚴重時還會引起基板材料的熱變形。與之相比,冷噴涂技術可以冷態下實現ZnAl合金涂層制備。但由于冷噴涂涂層為顆粒與顆粒之間強烈變形結合,塑形較差,受到機械變形或熱變形極易形成局部裂紋;同時冷噴涂涂層沉積過程中顆粒發生嚴重的不均勻塑形變形,顆粒邊緣變形量遠高于心部,造成涂層內部存在很大的應力集中,影響涂層力學和耐蝕性能。本發明通過鋼板表面冷噴涂ZnAl合金涂層,然后通過適當的熱處理工藝改善涂層組織,獲得均勻復合結構鋅鋁防護涂層。
發明內容
因此,本發明要解決的技術問題是提供一種鋼鐵結構件表面Zn-Al合金防護涂層,耐蝕性能和抗劃擦性能優于現有熱浸鍍鋅產品和常規冷噴涂。本發明要解決的另一個技術問題是提供該防護涂層的制造方法。
本發明的技術方案是,一種均勻復合結構鋅鋁防護涂層,所述涂層為Zn-Al合金組成,Al元素含量為5-35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質;所述粉末中心粒徑范圍為35-50μm,其中,粒徑≤10μm的粉末比例體積比不超過10%,粒徑≥80μm的粉末粒徑體積比不超過20%;所述顆粒內部為細小的枝晶組織。
顆粒是指Zn-Al合金顆粒,粉末是大量顆粒的組合;每個顆粒內部還有下一層級的微觀組織結構,“枝晶組織”就是一種金屬材料內部的組織結構。
一般而言,本發明成分范圍內的Zn-Al合金制粉過程中凝固時會形成枝晶組織;本發明后續的工藝及控制措施都是基于這種具有枝晶組織的粉末得出的結論。也就是說,如果不使用“顆粒內部為細小的枝晶組織的粉末”,可能無法獲得本發明中相關的性能改善。
本發明還提供了上述均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,包括:
a、配制Zn-Al合金成分,Al元素含量為5-35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質;
b、采用霧化激冷的方法制備Zn-Al合金粉末,獲得顆粒內部為細小的枝晶組織粉末;
c、然后利用高速惰性氣體和/或還原性氣體為載氣,在鋼鐵結構件表面高速噴射沉積100-500μm厚的Zn-Al合金涂層;最后對涂層進行均勻化退火處理,獲得由富Zn相和富Al相均勻分布的復合組織結構;所述均勻化退火處理包括涂層的熱處理、恒溫和冷卻過程。
利用高速惰性和/或還原性氣體為載氣,在鋼鐵結構件表面高速噴射沉積100-500μm厚的Zn-Al合金涂層這一過程本身就是一個噴涂工序,首先是將氣體加速至超音速;然后將Zn-Al合金粉末混入高速氣體中,由高速氣體拖曳獲得一定速度,高速的Zn-Al合金顆粒撞擊鋼鐵機構件表面沉積形成涂層。
根據本發明的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,優選的是,步驟b所述霧化氣體為惰性氣體。
根據本發明的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,優選的是,步驟b所述合金粉末中心粒徑范圍介于35-50μm,其中,粒徑≤10μm的粉末體積比不超過10%,≥80μm粉末粒徑的體積比不超過20%。
直接霧化制備的粉末粒徑范圍一般很寬,獲得所需的粒徑范圍主要通過篩分來保證,即利用不同篩網密度的篩子將太大和太小的粒子過濾掉,留下所需粒徑;粉末中心粒徑小于35微米,容易導致噴涂過程中很多顆粒被吹飛,而不是沉積形成涂層,導致涂層制備效率降低。大于50微米由于單個粒子重量過大,不容易加速到沉積的臨界速度,也會導致沉積效率下降;另外,大于50微米還會產生孔隙,影響涂層的致密度。
根據本發明的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,優選的是,步驟c所述載氣為含H2或CO與氮氣混合氣體,或H2或CO與氦氣的混合氣體,或H2與氮氣、氦氣三者混合,或CO與氮氣、氦氣三者混合;其中H2或CO體積比小于3%。
此處具體可指H2與氮氣混合、H2與氦氣混合、CO與氮氣混合、CO與氦氣混合,或者H2與氮氣、氦氣三者混合,CO與氮氣、氦氣三者混合;上述任一組合中H2或CO體積比小于3%。
根據本發明的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,優選的是,步驟c所述高速噴射沉積過程中Zn-Al合金顆粒自身溫度小于0.3Tm,Tm為Zn-Al合金的熔點。
根據本發明的均勻復合結構鋅鋁防護涂層的制備方法,優選的是,步驟c所述熱處理溫度范圍為250-350℃,保溫時間介于30-180min之間。
進一步地,高速噴射沉積Zn-Al合金涂層熱處理隨爐加熱,加熱速率5-10℃/min。隨爐加熱在金屬材料熱處理領域有特定的含義,是指室溫將材料放入加熱爐中,然后開啟加熱爐 加熱至設定溫度;隨爐加熱主要指還沒有達到設定溫度時的加熱過程,是一個溫度逐漸升高的過程,而不是某溫度恒溫過程.
優選的是,高速噴射沉積Zn-Al合金涂層熱處理冷卻速率大于20℃/min。
本發明的有益效果是:
本發明技術可以優化高速噴射沉積后的嚴重變形組織結構,釋放涂層內部壓應力,降低涂層脆性,改善成形性能。涂層組織與冷噴涂相比更加致密,硬度較熱鍍鋅提高20%以上,顯著提高涂層的抗劃擦性能。均勻富Zn和富Al組成的復合組織結構,綜合利用了Al的鈍化保護和Zn犧牲陽極保護,與傳統熱浸鍍Zn相比,耐蝕性能較熱鍍鋅提高50%。
附圖說明
圖1為本發明技術流程圖。
圖2為中心粒徑為38μm的Zn-22wt.%Al粉末形貌SEM照片,粒徑≤10μm的顆粒比例為8%,≥80μm的顆粒比例為5%。
圖3為Zn-22wt.%Al粉末單個顆粒內部組織的SEM照片,主要為激冷態的枝晶組織結構。
圖4為高速噴射沉積涂層截面微觀組織的SEM照片,可以看到組織極不均勻,明顯存在嚴重塑性變形區(圖中A區)和輕微塑性變形區(圖中B區),并且孔隙較多(圖中箭頭所指區域)。
圖5為均勻化退火后涂層微觀組織的SEM照片,與圖4相比,組織明顯均勻,形成富Zn相(亮區)和富Al相(暗區)均布的復合結構,有效改善涂層的力學性能、成形性能和耐蝕性。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。
結合圖1,一種復合結構Zn-Al合金防護涂層的制造方法,首先設計Zn-Al合金成分,Al元素含量為5-35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質;然后制備Zn-Al合金粉末,獲得顆粒內部為細小的枝晶組織粉末;然后利用高速惰性或還原性氣體為載氣,在鋼鐵結構件表面高速噴射沉積100-500μm厚的Zn-Al合金涂層;最后對涂層進行均勻化退火處理,獲得由富Zn相和富Al相均勻分布的復合組織結構。
實施例1
粉末顆粒成分(wt.%)包含22%Al,余量為Zn和不可避免的雜質。采用氣霧化方式制備Zn-Al合金粉末,霧化氣體為氮氣,粉末顆粒中心粒徑38μm,粒徑小于10μm和大于80μm的顆粒比例分別為8%和10%,顆粒內部組織結構如圖2所示,粉末外觀形貌如圖3所示。高速噴射沉積氣體為含1%H2與工業氮氣的混合氣體,噴涂過程顆粒溫度為100℃,獲得涂層微觀組織結構如圖4所示。高速噴射沉積涂層熱處理溫度300℃,保溫時間120min,加熱速率10℃/min,冷卻速率25℃/min,涂層微觀組織如圖5所示。獲得的Zn-Al合金涂層消除了局部不均勻塑性變形,硬度和耐蝕性較熱鍍鋅分別提高50%和90%。
實施例2
粉末顆粒成分(wt.%)包含5%Al,余量為Zn和不可避免的雜質。采用氣霧化方式制備Zn-Al合金粉末,霧化氣體為氮氣,粉末顆粒中心粒徑43μm,粒徑小于10μm和大于80μm的顆粒比例分別為5%和18%。高速噴射沉積氣體為含2.5%CO與工業氮氣的混合氣體,噴涂過程顆粒溫度為80℃。高速噴射沉積涂層熱處理溫度260℃,保溫時間180min,加熱速率5℃/min,冷卻速率30℃/min,獲得的Zn-Al合金涂層完全消除了沉積顆粒局部嚴重塑性變形,硬度和耐蝕性較熱鍍鋅分別提高30%和1.5倍以上。
實施例3
粉末顆粒成分(wt.%)包含33%Al,余量為Zn和不可避免的雜質。采用氣霧化方式制備Zn-Al合金粉末,霧化氣體為氮氣,粉末顆粒中心粒徑48μm,粒徑小于10μm和大于80μm的顆粒比例分別為3%和19%。高速噴射沉積氣體為含2%H2與氦氣的混合氣體,噴涂過程顆粒溫度為160℃。高速噴射沉積涂層熱處理溫度345℃,保溫時間100min,加熱速率8℃/min,冷卻速率20℃/min,獲得的Zn-Al合金涂層硬度和耐蝕性較熱鍍鋅分別提高30%和1.5倍以上。
本發明可以優化高速噴射沉積后的嚴重變形組織結構,釋放涂層內部壓應力,降低涂層脆性,改善成形性能。涂層組織與冷噴涂相比更加致密,硬度較熱鍍鋅提高20%以上,涂層的抗劃擦性能顯著提高。

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一種 均勻 復合 結構 防護 涂層 及其 制造 方法
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