专利名称：一种低碳钢表面合金化工艺的制作方法
技术领域：
本发明属金属表面处理技术领域，是一种低碳钢表面合金化处理工艺。
随着生活水平的普遍提高，人们对于高表面性能、高耐蚀性能、经济、美观和耐用的金属材料的需求与日俱增。不锈钢、铜材、铝材等材料虽然在某些性能方面能够达到要求，但由于价格居高不下，限制了它们的使用范围。对金属进行表面处理，可以改善金属表面性能。常规的金属表面处理方法，如电镀、化学镀、防锈油、涂料涂装技术等，国内外已有大量的文献报道。在这些方法中，表面处理层与基底金属之间存在界面效应，并最终影响这些表面处理层的耐腐蚀性能。另外，也影响了处理材料的机械加工性能。60-70年代，电子束、离子束、激光技术引入金属表面处理领域，新型的表面处理技术层出不穷，如激光束(电子束)表面改性、化学电化学沉积、化学电化学转化、热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积、气相外延、液相外延、离子注入、溶胶-凝胶法、自催化沉积等。通过这些表面处理方法，可以提高材料的耐腐蚀性能、耐磨减磨能力，赋予材料表面特殊的物理、化学特性，提高材料表面完整性和装饰性。另外，采用这些方法对金属表面进行处理，可以减少表面处理层与基底金属之间的界面效应。然而使用技术，处理成本大、处理工件的量及大小有一定的限制，无法用于大规模工业化生产，目前仅用于军用、航空等领域小规模零件的批量生产，因而影响其推广应用。
本发明的目的在于提出一种能够消除表面处理层与基底金属的界面效应，而且处理成本低、处理件量大、可大规模工业化应用的低碳钢表面处理工艺。
本发明提出的低碳钢表在处理工艺，其步骤是，先用闪镀方法在普通低碳钢表面预置单层或复层耐腐蚀的金属元素镍、钴、铬等。这里所谓“单层”是指单独预置镍、钴、铬中的一种金属层，“复层”是指逐层预置镍、钴、铬中二种以上(包括二种)的金属层，例如镍／钴、钴／镍、镍／铬等。记号A／B，表示先预置一层金属A，再预置一层金属B。本发明的预置复层中也可以包括一层铜元素，例如镍／铜。预置处理层厚度为0．1-5μ。然后将经电镀的金属件置于合金化炉中进行合金化处理。合金化处理工艺条件为合金化在还原保护性气氛中进行，其中，保护性气氛为氮气，还原性气氛为氢气，两者之用量比为60∶40-97∶3，即氮气量为60％-97％，氢气量为40％-3％。合金化温度控制要求快速升温至合金化温度，升温速率为0．01-50℃／S，合金化处理温度为700-1000℃，保温48至96小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为0．01-50℃／S。快速升温和快速降温采用通常的方法进行。
在上述工艺步骤中，闪镀的工艺条件如下对于镀镍层，其电镀溶液配方硫酸镍100-300g／L，硼酸30-80g／L，添加剂0．01-1g／L，pH4．0-5．0。电镀温度50-60℃。电镀的电流强度1-100A／dm2。这里的添加剂采用十二烷基硫酸钠。
对于镀钴层，其电镀溶液配方硫酸钴100-300g／L，硼酸30-80g／L，添加剂0．01-1g／L，pH4．0-5．0电镀温度50-60℃。电镀的电流强度1-100A／dm2。添加剂也采用十二烷基硫酸钠。
对于镀铬层，其电镀溶液配方硫酸铬100-300g／L，硫酸60-80g／L。电镀温度60-80℃。电镀的电流强度10-100A／dm2。
本发明具有如下一些特点1、本发明可消除金属表面处理层与基底金属之间的界面效应，显著提高金属的耐腐蚀、耐磨损性能，获得高表面光洁度，提高金属材料的装饰性能。
2、本发明可实现大规模连续工业化生产，可对大件金属件进行大批量处理。适用于钢铁、冶金、金属加工厂进行金属材料的深加工。
3、本发明实现大规模连续工业化生产后，产品成本远低于不锈钢，价格低廉，可部分替代不锈钢。
4、经本发明处理后的表面合金化碳钢板，还可进行表面电解着色，也可进行表面抛光等处理，处理后的材料既具有高耐蚀、耐磨损性能以及表面装饰性能，又具有价格低廉的优势，在工业、民用领域有广泛的应用前景。
5、由于闪镀溶液配方简单，添加剂含量少，电镀废水处理容易，对环境污染少，与同类工艺相比，有利于环境保护。
实例1。低碳钢试片(150×75mm)一块，采用如下工艺闪镀镍，电镀溶液配方硫酸镍100g／l，硼酸30g／l，添加剂十二烷基硫酸钠0．01g／l，pH4．5，电镀温度50℃，电流强度1A／dm2。将处理后试样进行表面合金化处理，处理气氛97％氮气和3％氢气。合金化温度控制如下快速升温至合金化处理温度，升温速率为0．01℃／S，合金化处理温度为700℃，保温时间为48小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为15℃／S。处理后的试样表面光亮，耐腐蚀、耐磨损等性能显著提高，明显优于低碳钢。
实例2。低碳钢试片(150×75mm)一块，采用如下工艺闪镀镍电镀溶液配方硫酸镍150g／l，硼酸50g／l，添加剂十二烷基硫酸钠0．3g／l，pH4．5，电镀温度55℃，电流强度10A／dm2。将处理后试样进行表面合金化处理，处理气氛97％氮气和3％氢气。合金化温度控制如下快速升温至合金化处理温度，升温速率为10℃／S，合金化处理温度为700℃，保温时间为60小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为30℃／S。处理后的试样表面光亮，耐腐蚀、耐磨损等性能显著提高，明显优于低碳钢。
实例3。低碳钢试片(150×75mm)一块，采用如下工艺先闪镀一层铬，然后再闪镀一层镍。闪镀铬工艺如下，电镀溶液配方硫酸铬100g／l，硫酸60g／l，电镀温度10℃，电流强度10A／dm2。闪镀镍工艺如下，电镀溶液配方硫酸镍300g／l，硼酸80g／l，添加剂1g／l，pH5，电镀温度50℃，电流强度10A／dm2。将处理后试样进行表面合金化处理，处理气氛60％氮气和40％氢气。合金化温度控制如下快速升温至合金化处理温度，升温速率为15℃／S，合金化处理温度为900℃，保温时间为60小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为50℃／S。处理后的试样表面光亮，耐腐蚀、耐磨损性能显著提高，明显优于低碳钢。
权利要求
1.一种低碳钢表面处理工艺，其特征在于先用闪镀方法在普通低碳钢表面预置单层或复层耐腐蚀金属元素镍、钴、铬，预置层厚度0．1-5μ；然后将经电镀的金属件置于合金化炉中进行合金化处理，合金化在还原保护性气氛中进行，其中，保护性气氛为氮气，还原性气氛为氢气，两者之用量比为60∶40-97∶3；温度控制要求为快速升温至合金化温度，升温速率为0．01-50℃／S，合金化处理温度为700-1000℃，保温48至96小时，然后将合金化炉快速降温至室温，降温速率为0．01-50℃／S。
2.根据权利要求1所述的低碳钢表面处理工艺，其特征在于闪镀镍层的工艺条件为，电镀溶液配方硫酸镍100-300g／L，硼酸30-80g／L，添加剂十二烷基硫酸钠0．01-1g／L，pH4．0-5．0；电镀温度50-60℃，电镀的电流强度1-100A／dm2。
3.根据权利要求1所述的低碳钢表面处理工艺，其特征在于闪镀钴层的工艺条件为，电镀溶液配方硫酸钴100-300g／L，硼酸30-80g／L，添加剂十二烷基硫酸钠0．01-1g／L，pH4．0-5．0；电镀温度50-60℃，电镀的电流强度1-100A／dm2。
4.根据权利要求1所述的低碳钢表面处理工艺，其特征在于闪镀铬层的工艺条件为，电镀溶液配方硫酸铬100-300g／L，硫酸60-80g／L；电镀温度60-80℃，电镀的电流强度10-100A／dm2。
全文摘要
本发明是一种低碳钢表面合金化处理工艺,它是先在普通低碳钢表面用闪镀方法预置一层或复层耐腐蚀金属元素镍、钴、铬等,然后在合金化炉中进行合金化处理。本发明可消除金属表面处理层与基底金属的界面效应,显著提高金属件的耐腐蚀、耐磨损性能和材料的装饰性能,而且可对大件金属材料进行大批量处理,实现大规模连续化工业生产,可降低处理成本。此外,本发明可大大减少对环境污染,有利于环境保护。
文档编号C25D5/48GK1293264SQ0011949
公开日2001年5月2日 申请日期2000年7月20日 优先权日2000年7月20日
发明者钟庆东 申请人:上海电力学院