专利名称：一种在钢铁表面制备合金涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种金属表面化学热处理的方法，具体地说涉及一种在钢铁表面制备合金涂层的方法。
背景技术：
铌属VB族难熔金属，具有高的熔点和高温强度。耐蚀性好，密度与钢相似，具有较好的延展性，能承受一定量的机械变形。金属铌不仅有良好的力学性能，而且物理化学性质稳定，它是制备涂层的优良金属。铝的活性很高，容易与氧结合在基体表面形成致密的氧化铝陶瓷层，阻挡氧的扩散，它是重要的涂层材料。硅化物涂层具有良好的热稳定性，使用温度可达1600°C，其表面形成的SiA能有效阻止氧向基体内部扩散，而且SiA玻璃在高温下有流动性，使涂层具有自愈能力，并能承受-定的变形。在涂层添加稀土元素后，能改善渗层表面氧化膜的密合性和塑性，比较各种金属或涂层的特点，在钢铁上渗铌、硅、铝、稀土是钢铁材料表面强化处理方法之一，可使钢铁表面获得理想的综合性能。《金属热处理》2001年第沈卷第9期膏剂法渗铌工艺的试验研究-辽宁工学院材料与化学工程系刘秉余等。探讨了膏剂法在GCrl5钢渗铌的可行性。渗剂涂层15%铌粉，硼砂(Na2B407 · 10H20)，催渗剂为10%冰晶石(Na3AlF6)，用醇酸清漆将渗剂调成料浆涂覆在试样表面上，厚度达到Imm左右。保护层30% ！^粉、70% Al2O3，以硅溶胶为粘结剂包覆到渗剂涂层外。烘干后装罐入炉。罐内的填料为氧化铝、型砂(主要成分为二氧化硅)、碳化硅等。缓慢升温至50(TC保温3h。将罐密封后，升温至100(TC保温4h。渗层厚度16-18 μ m，耐磨性比基体提高了 3. 5倍，是渗硼的1. 7倍。该工艺可实现铌、硅共渗，但不涉及铝、稀土的共渗。由于渗剂采用纯铌粉，价格昂贵、成本高。《粉末冶金技术》2001年第19卷第2期料浆法制备铌合金和钼合金高温抗氧化涂层-贾中华。把金属(合金)的料浆均勻涂复于钼电极、铌合金表面，在惰性气体或真空中使料浆熔化，通过液体-固体扩散形成涂层。以提高温抗氧化性能和抗热震性能。涂层材料为硅化物(Si-Cr-Ti、Si-Cr-Fe) 300目合金粉，按配方配制合金粉料，加入适量的清漆和乙酸乙酯制成料浆，用喷漆枪将料浆喷涂在试样和工件上，烘干后放入真空炉中进行1350-1500°C高温烧结，形成银灰色的涂层，厚度为90-140 μ m。该工艺可实现Si-Cr-Ti共渗，但不涉及铌、铝、稀土的共渗。正在申请中的专利200910066270. 1要求保护一种在钢铁表面渗制铝钼稀土涂层的方法，该方法中共渗剂由MoO3 2. 5% 15%;A1 17% ;FeAl M% 66%;氧化稀土 0. 5% 8% ；NH4Cl 0. 5% 1. 5%组成(百分比均为重量百分比，以共渗剂总重量计)。封闭剂由Al 17% 35%;FeAl 56% 77% ；氧化稀土 2% 8% ;NH4C10. 6% 2%组成。各组分均为粉末状，粒度均在80目以上。所得涂层共渗层厚度为0.1% 0. 5mm，共渗层表面铝含量为23% 35重量％，钼含量为2% 8重量％，稀土含量0. 3% 0. 8% (主要为La、Nd元素)。该发明不涉及铌和硅的共渗，且热处理方式也有所不同。中国专利871013 “具有保护料浆和中频感应加热的渗铝方法和设备”在普通渗剂料浆涂层的外部再涂以独特的保护料浆，然后进入中频感应炉进行渗铝，其特征是，所述保护料浆的组成为(重量％):粘结剂10% 30%，填料40% 70%，稀释剂20% 40%，粘结剂为水解硅酸乙酯，或聚合物型粘接剂、纸张废液，稀释剂是水或醇类，填料是各种矿物岩粉、玻璃粉、唐瓷粉、氧化铝或粘土。该方法中的保护料浆存在易龟裂、剥落等问题，经常出现渗层漏渗现象，所以一直没有得到很好的实际应用和发展。该技术也不涉及铌、硅、铝和稀土共渗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可以在钢铁表面制备铌、硅、铝、稀土共渗合金涂层的方法，该方法可大幅度地提高炉管和构件的质量及使用寿命，降低工件成本。本发明提供的在钢铁表面制备合金涂层的方法包括下述顺序的步骤(1)将共渗剂、粘结剂和水按适当比例混合，制成料浆，将料浆涂敷于钢铁工件表面，按预定的烘干工艺烘干，形成具有一定厚度的料浆涂层；(2)将上述烘干的具有料浆涂层的工件放入渗箱内，再用渗箱盖密封；(3)将封好的装有工件的渗箱放入加热炉内，按预定的加热工艺加热至950°C 1050°C，保温4 6小时，出炉后空冷降至室温； 其中，所述共渗剂由下述组分組成Nb2O53% 20%Al10% 30%FeAl35. 5% 51%SiO210% 30%氧化稀土 6%NH4Cl0.5% 3%; 上述百分比均为重量百分比，以共渗剂总重量计，将上述各组分按比例混合即得 本发明的共渗剂，共渗剂各组分均为粉末状，粒度均在80目以上；所述氧化稀土主要由氧化镧、氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化钇及氧化钙、氢氧化钠、三氧化二铁、氧化硅等组成。所述粘结剂主要成分为聚乙烯醇，商品名称为上文合成胶水，由江苏兴达文具有限公司生产。所述渗箱主要由渗箱盖、箱体組成，渗箱盖上设有ー个进气阀和ー个排气阀。所述料浆涂层的厚度为0.9mm 2. 5mm;作为进ー步优选的方案，共渗剂各组分的含量进ー步优选为Nb2O58% 16%Al18% 25%FeAl40% 50%SiO2 20%氧化稀土2. 5% 4%;NH4Cl0.5% 1.2%;在加热、保温、降温的过程中向渗箱内通入保护性气体，保护性气体通过渗箱盖的进气阀通入箱体，使渗箱内的共渗气氛能保持较高的浓度，以保证渗剂和渗件不被氧化，保证产品的质量。渗箱内气体可以通过渗箱盖的排气阀排出，以调节渗箱内气体压力。所述保护性气体可以是氮气、氩气或氨分解气。涂敷料浆层的工件可以直接摆放在渗箱内，也可以摆放在专用支架上再放入渗箱内。利用本发明提供的方法可以实现铌、硅、铝、稀土共渗，得到具有良好的耐腐蚀性、热稳定性的光滑致密涂层，共渗层厚度为0. 1 0. 5mm，共渗层表面铌含量为2% 8%(Wt)，硅含量6% 15% (Wt)，铝含量为 20% 25% (Wt)，稀土含量0. 3% 0.8% (Wt)(主要为La、Ce元素)。该方法所用共渗剂配方可以根据需要做适当调整。
下面结合附图对本发明作进一步阐述。图1本发明所用渗箱的结构示意图，图2为本发明的工件支架示意图。图1中1、进气管2、进气阀3、排气阀4、渗箱盖5、固定螺栓6、螺母7、密封垫8、渗箱法兰9、过滤室10、渗箱体11、装好工件的支架；图2中12、工件安装板13、安装连接杆14、工件
具体实施例方式本发明采用的金属工件材质为20号碳钢、lCr5Mo钢，一为公称直径89mm，壁厚3mm，长度3000mm的圆管；二为公称直径127mm，壁厚10mm，长度4000mm的圆管。本发明采用的支架与圆管的形状相适应，如图2所示，工件14穿过支架的工件安装板12上的孔架于支架上，安装连接杆13对支架起固定作用。当然，工件也可以是其它形状，支架也可以是与工件形状相适应的其它结构。下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但这些实施例并不限制本发明的范围。实施例中的百分数均为重量百分数，以共渗剂总重量计。实施例1配制本发明的共渗剂，其中的重量％以共渗剂的总重量为基准计。将3% Nb2O5,30% Al、10% Si02、6%氧化稀土、50. 5% FeAl和0. 5% NH4Cl进行充分混合，将混合好的共渗剂与粘结剂聚乙烯醇和水充分混合搅拌，调制成料浆；将料浆以Imm的厚度涂敷在金属工件表面，再将工件置入干燥炉中，在80°C温度下干燥60min，将干燥后的金属工件架于图2所示的支架上，然后将装好工件的支架11放入渗箱体10内，见图1，用固定螺栓5、螺母6和密封垫7，通过渗箱法兰8将渗箱盖4安装在渗箱体10上，然后将渗箱放入加热炉内，按以下的程序进行共渗热处理以10°C /min的升温速度从室温升温至450°C，保温0. 5h ；再以8°C /min的升温速度从450°C升温至960°C，保温Mi后随炉空冷至室温，得到铌、硅、铝、稀土共渗工件。在上述共渗热处理过程中，向渗箱内通入氨分解气，氨分解气通过进气阀2和进气管1进入渗箱内部，箱内的多余气体经过滤室9和排气阀3排出，以调节渗箱内压力。实施例2共渗剂、料浆的配制过程及工件的涂敷、干燥和装箱过程及共渗热处理过程中通入保护性气体的过程同实施例1。共渗剂的组成为6% Nb2O5>28% A1U5% Si02、4%氧化稀土、46. 4% FeAl、和0.6% NH4Cl,料浆涂层厚度为1.5mm。共渗热处理工艺为以10°C /min的升温速度从室温升温至450°C，保温0. 5h，再以8°C /min的升温速度从450°C升温至985°C，保温5h后随炉空冷至室温，得到铌、硅、铝、稀土共渗工件和试样。实施例3共渗剂、料浆的配制过程及工件的涂敷、干燥和装箱过程及共渗热处理过程中通入保护性气体的过程同实施例1。共渗剂的组成为10% Nb2O5^20% Al,20% Si02、3%氧化稀土、46. 2% !^Al和0.8% NH4Cl,料浆涂层厚度为1. 8_。共渗热处理工艺为以10°C /min的升温速度从室温升温至450°C，保温0.釙。再以8°C /min的升温速度从450°C升温至1010°C，保温4h后随炉空冷至室温，得到共渗铌、硅、铝、稀土工件和试样。实施例4共渗剂、料浆的配制过程及工件的涂敷、干燥和装箱过程及共渗热处理过程中通入保护性气体的过程同实施例1。共渗剂的组成为15 % Nb2O5,15 % Al、25 % Si02、2 %氧化稀土、42% FeAl和NH4Cl,料浆涂层厚度为2. 0mm。共渗热处理工艺为以10°C /min的升温速度从室温升温至450°C，保温0. 5h。再以8°C /min的升温速度从450°C升温至1020°C，保温4h后随炉空冷至室温，得到铌、硅、铝、稀土共渗工件和试样。实施例5共渗剂、料浆的配制过程及工件的涂敷、干燥和装箱过程及共渗热处理过程中通入保护性气体的过程同实施例1。共渗剂的组成为20% Nb2O5^ 13% Al,30% Si02、0. 8%氧化稀土、35% FeAl和0. 8% NH4Cl,料浆涂层厚度为2. 5mm。共渗热处理工艺为以10°C /min的升温速度从室温升温至450°C，保温0.釙。再以8°C /min的升温速度从450°C升温至1050°C，保温4h后随炉空冷至室温，得到铌、硅、铝、稀土共渗工件和试样。
权利要求
1.一种在钢铁表面制备合金涂层的方法，其特征在于包括下述顺序的步骤(1)将共渗剂、粘结剂和水按适当比例混合，制成料浆，将料浆涂敷于钢铁工件表面，按预定的烘干工艺烘干，形成具有一定厚度的料浆涂层；(2)将上述烘干的具有料浆涂层的工件放入渗箱内，再用渗箱盖密封；(3)将封好的装有工件的渗箱放入加热炉内，按预定的加热工艺加热至950°C 1050°C，保温4 6小时，出炉后空冷降至室温；其中，所述共渗剂由下述组分组成Nb2O53% 20%Al10% 30%FeAl35. 5% 51%SiO210% 30%氧化稀土 6%NH4Cl0.5% 3%上述百分比均为重量百分比，以共渗剂总重量计；所述氧化稀土主要由氧化镧、氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化钇及氧化钙、氢氧化钠、三氧化二铁、氧化硅组成；所述粘结剂主要成分为聚乙烯醇；所述渗箱主要由渗箱盖、箱体组成，渗箱盖上设有一个进气阀和一个排气阀。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，共渗剂各组分的含量为Nb2O58% 16% ；Al18% 25% ；FeAl40% 50%;SiO212% 20%;氧化稀土 2. 5% 4%;NH4Cl 0.5% 1.2%。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的料浆涂层的厚度为0.9mm 2. 5mmο
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的步骤C3)是在向渗箱内通入保护性气体的条件下进行的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的保护性气体为氮气、氩气或氨分解气。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的加热工艺为以10°C/min的升温速度从室温升温至450°C，保温0. 5h ；再以8°C /min的升温速度从450°C升温至950°C 1050 O。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的加热工艺为以10°C/min的升温速度从室温升温至450°C，保温0. 5h ；再以8°C /min的升温速度从450°C升温至950°C 1050 O。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的烘干工艺为干燥温度为80°C，干燥时间为60min。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的烘干工艺为干燥温度为80°C，干燥时间为60min。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的烘干工艺为干燥温度为80°C，干燥时间为60min。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的烘干工艺为干燥温度为80°C，干燥时间为60min。
全文摘要
本发明提供了一种在钢铁表面制备合金涂层的方法先将共渗剂、粘结剂和水按适当比例混合，制成料浆，将料浆涂敷于钢铁工件表面，烘干，形成料浆涂层；然后将具有料浆涂层的工件放入渗箱内，再用渗箱盖密封；最后将封好的装有工件的渗箱放入加热炉内，加热至950℃～1050℃，保温4～6小时，出炉后空冷降至室温；其中，共渗剂组成为Nb2O5 3％～20％，Al 10％～30％，FeAl35.5％～51％，SiO2 10％～30％，氧化稀土1％～6％，NH4Cl 0.5％～3％；利用本发明可以在钢铁表面制备铌、硅、铝、稀土共渗合金涂层，大幅度地提高炉管和构件的质量及使用寿命，降低工件成本。
文档编号C23C10/30GK102373401SQ20101026161
公开日2012年3月14日 申请日期2010年8月21日 优先权日2010年8月21日
发明者刘希武, 刘文亮, 吕大伟, 晁君瑞, 李选亭, 盛长松, 苗普, 赵小燕 申请人:中国石化集团洛阳石油化工工程公司, 中国石油化工股份有限公司