专利名称：一种纳米复合粉末渗锌加工方法
技术领域：
本发明涉及金属的粉末渗锌技术领域，特别是涉及一种纳米复合粉末渗锌加工方法。
背景技术：
在过去长期的研究中已开发了许多金属涂层的表面防腐蚀处理工艺，如热浸镀锌或铝等涂层、锌及铝等扩散涂层、电镀锌及其合金涂层和化学转化涂层等防腐蚀技术。目前主要的镀锌工艺有电镀锌(电镀、离子镀或离子注入等)、冷镀锌(机械镀、涂刷镀等)、热镀锌(包括热浸镀、热喷涂镀)以及粉末渗锌工艺。
粉末渗锌加工工艺是利用热处理中金属原子相互渗透扩散的原理，在加热过程中使锌粉与被镀金属构件相互紧密接触，使产生的锌活性原子通过热扩散运动渗入到金属构件表面，形成一种锌铁合金保护层，以防止环境腐蚀的方法。现有的粉末渗锌加工方法所使用的渗锌剂主要包括锌粉、惰性填充材料以及活化剂。这种加工方法所需要的渗锌加工温度较高，一般要达到350℃～450℃，能耗较大；渗锌过程所需的升温和保温时间较长(对大型构件所需时间更长)。渗锌过程的长时间进行，会增加产生脆性渗锌层的倾向，使构件的性能降低。现有的粉末渗锌加工工艺在处理大型、体积复杂的金属构件时还存在渗锌层不均匀的缺点，发明内容为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种纳米复合粉末渗锌加工方法，它是通过如下技术方案实现的一种纳米复合粉末渗锌加工方法，主要包括金属构件的前处理、金属构件的渗锌加工以及金属构件的后处理，其特征在于金属构件的渗锌加工包括纳米复合粉末渗锌剂的配制、渗锌过程和冷却分离过程，具体为(1)纳米复合粉末渗锌剂的配制将锌粉与纳米稀土粉末混合后进行细化研磨处理，纳米稀土粉末的用量为锌粉重量的2％～10％，研磨至粉末粒度为200～300目，然后将研磨好的复合锌粉、活化剂和填充剂按一定量混合均匀，活化剂的用量为渗锌剂重量的0.1～0.3％，填充剂、复合锌粉和工件的体积之和等于渗锌罐体积的90％～95％，得到纳米复合粉末渗锌剂；(2)渗锌过程将金属构件、渗锌剂填装到渗锌罐中，然后将填装好的渗锌罐放置在渗锌炉中加热升温，渗锌罐缓慢旋转加热，渗锌罐转速控制在7～15转/分，使渗锌罐内的金属构件均匀受热，加热升温时间控制在2～2.5小时，当最高温度为300～420℃时，保持温度恒定50～120分钟，进行渗锌加工；(3)冷却分离过程渗锌加工完成后，渗锌罐随加热炉冷却到100℃以下，将渗锌罐从渗锌炉中取出，放置在分离机上在不断转动过程中进行空气冷却，待温度降低至50℃以下在分离机上将构件与渗锌剂进行分离，构件进行后处理。
所述的纳米复合粉末渗锌加工方法，其特征在于所述的纳米稀土为纳米氧化铈(CeO2)，纳米氧化铈粉末的粒度直径范围65纳米(nm)～455纳米，平均粒度为110nm，其中粒度小于110nm的粉末的体积含量≥50％。
所述的细化研磨是在高能球磨机中进行，研磨处理时间为10～20小时。
所述的锌粉的粒度为120目，锌含量≥98％。
所述的活化剂为氯化铵(NH4Cl)或氯化锌(ZnCl2)，所述的填充剂为石英砂(SiO2)或氧化铝(Al2O3)，优选的活化剂为氯化铵，优选的填充剂为石英砂，石英砂的粒度为40～100目。
由于本发明的纳米复合锌粉的密度略低于锌粉的密度，所以渗锌层的密度可以采用锌粉的密度。所需纳米复合锌粉的重量根据工件的表面积和用户要求的镀层厚度计算得出标准工件的表面积可根据构件尺寸和形状具体计算；对一般复杂形状构件(表面积很难计算)，每100kg工件重量所需的复合锌粉用量为1.0～3.0kg；对复杂大型结构件，其表面积与重量的换算关系为5.0～5.8m2/100kg工件重量。
在渗锌加工过程中，采用轴流式热风循环风机进行加热，通过控制炉内温度区间测试点的温度来实现温度的均匀性，温度均匀性误差控制在±5℃以内。
金属构件的前处理包括表面除油、表面除锈、水洗和防锈干燥。表面除油可以采用常用的有机溶剂除油、化学除油、机械除油或擦拭除油；表面除锈法采用常用的化学酸洗法或机械除锈法，如滚抛、刷洗、喷砂或喷丸等机械方法。除油、除锈后的金属构件通过水洗和防锈干燥后得到表面清洁、干燥的构件。
金属构件的后处理包括冲洗、抛光处理、钝化处理和晾干处理。通常采用15％的硝酸进行化学抛光10～25秒，以便除去构件表面的黑色氧化物或锌，抛光后应立即用水将酸清洗干净；用铬酸或铬酸盐溶液进行钝化处理，以提高渗层耐腐蚀能力和表面光洁度。
本发明的纳米复合粉末渗锌方法可以满足舰船、交通(地下铁道、涵洞、隧道等)、电力、化工、电信等领域各种钢铁制件、紧固件及复杂结构件的腐蚀防护需求，并能对大尺寸构件进行渗锌处理，在管道内外壁、粗细螺纹、内孔凹槽等复杂构件的表面均能获得均匀渗锌层，所获得渗锌层厚度在10～110μm范围内，厚度误差≤10％。
本发明的纳米复合粉末加工方法，其最高加热温度明显低于钢铁材料的相变温度，不会影响构件的力学性能，无氢脆现象。渗层外表面硬度比低碳钢硬度(如20号钢硬度为115HV)高一倍以上，比中碳钢(如45号钢硬度为172HV)硬度高50％以上。抗冲击载荷能力强，在运输、装配和拆卸中不易磨损、擦伤或脱落。
与传统的粉末渗锌方法相比，粉末渗锌速度快、最高加热温度降低、渗锌过程中的保温时间缩短，提高了生产效率、降低了能源消耗，提高了构件的机械性能。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步地说明。
实施例1本发明的纳米复合粉末渗锌加工方法，主要包括金属构件的前处理、金属构件的渗锌加工以及金属构件的后处理。
金属构件的前处理包括对金属的表面除油、表面除锈、水洗和防锈干燥处理。
所述的金属构件为大型、复杂形状的钢铁构件的渗锌加工方法包括纳米复合粉末渗锌剂的配制、渗锌过程和冷却分离过程，具体为(1)将粒度为120目、锌含量为99％的锌粉与纳米稀土氧化铈(CeO2)粉末混合，纳米氧化铈粉末粒度直径范围65nm～455nm，平均粒度为110nm，其中粒度小于110nm的粉末的体积含量为60％，其用量为锌粉重量的5％，混合后的粉末在室温25℃下细化研磨处理16小时，研磨至粉末粒度为200～300目，然后将研磨好的复合锌粉、活化剂NH4Cl和填充剂SiO2按以下用量混合，得到纳米复合渗锌剂纳米复合锌粉构件的表面积与构件的重量换算关系为5.5m2/100kg，复合锌粉的用量根据金属构件的表面积和渗锌层的厚度以及锌粉的密度计算得到NH4Cl用量为渗锌剂重量的0.21％SiO2粒度为40-100目，其体积与复合锌粉体积及工件的体积之和等于渗锌罐体积的90％。
(2)将装有构件、渗剂的渗锌罐放置在渗锌炉中加热，渗锌罐慢旋转加热，转速控制在7～15转/分，使渗锌罐内的金属构件均匀受热，升温时间控制在2.0～2.5小时内，当温度升高到320℃时，保持温度恒定80分钟；(3)待渗锌炉冷却到100℃后，将渗锌罐从渗锌炉中吊出，放置在分离机上，进行空气冷却，待温度低于50℃以下后，在分离机上将构件与渗锌剂进行分离，构件进行后处理。
金属构件的后处理包括冲洗、抛光处理、钝化处理和晾干处理。
实施例2本发明的纳米复合粉末渗锌加工方法，主要包括金属构件的前处理、金属构件的渗锌加工以及金属构件的后处理。
金属构件的前处理包括对金属的表面除油、表面除锈、水洗和防锈干燥处理。
所述的金属构件型钢的渗锌加工方法包括纳米复合粉末渗锌剂的配制、渗锌过程和冷却分离过程，具体为(1)将粒度为120目、锌含量为98％的锌粉与纳米稀土氧化铈(CeO2)粉末混合，纳米氧化铈粉末粒度直径范围65nm～455nm，平均粒度为110nm，其中粒度小于110nm的粉末的体积含量为55％，其用量为锌粉重量的4％，混合后的粉末细化研磨处理14小时，研磨至粉末粒度为200～300目，然后将研磨好的复合锌粉、活化剂NH4Cl和填充剂SiO2按以下用量混合，得到纳米复合渗锌剂纳米复合锌粉用量根据型钢的表面积和渗锌层的厚度以及锌粉的密度计算得到NH4Cl用量为渗锌剂重量的0.15％SiO2粒度为40-100目，其体积与复合锌粉体积及工件的体积之和等于渗锌罐体积的92％。
(2)将装有构件、渗剂的渗锌罐放置在渗锌炉中加热，渗锌罐慢旋转加热，转速控制在7～15转/分，使渗锌罐内的金属构件均匀受热，升温时间控制在2.0～2.5小时内，当温度升高到320℃时，保持温度恒定60分钟；(3)待渗锌炉冷却到100℃后，将渗锌罐从渗锌炉中吊出，放置在分离机上，进行空气冷却，待温度低于50℃以下后，在分离机上将构件与渗锌剂进行分离，构件进行后处理。
金属构件的后处理包括冲洗、抛光处理、钝化处理和晾干处理。
本发明的纳米复合粉末渗锌加工方法，粉末渗锌速度快、最高加热温度降低、渗锌过程中的保温时间缩短，提高了生产效率、降低了能源消耗，提高了构件的机械性能。
权利要求
1.一种纳米复合粉末渗锌加工方法，主要包括金属构件的前处理、金属构件的渗锌加工以及金属构件的后处理，其特征在于金属构件的渗锌加工包括纳米复合粉末渗锌剂的配制、渗锌过程和冷却分离过程，具体为(1)纳米复合粉末渗锌剂的配制将锌粉与纳米稀土粉末混合后，混合后的粉末进行细化研磨处理，纳米稀土粉末的用量为锌粉重量的2％～10％，研磨至粉末粒度为200～300目，然后将研磨好的复合锌粉、活化剂和填充剂按一定量混合均匀，活化剂的用量为渗锌剂重量的0.1～0.3％，填充剂、复合锌粉及工件的体积之和等于渗锌罐体积的90％～95％；(2)渗锌过程将金属构件和配制好的渗锌剂填装到渗锌罐中，然后将填装好的渗锌罐放置在渗锌炉中加热升温，渗锌罐翻转加热，使渗锌罐内的金属构件均匀受热，加热升温时间控制在2～2.5小时以内，当最高温度为300～420℃时，保持温度恒定50～120分钟，进行渗锌加工；(3)冷却分离过程渗锌加工完成后，渗锌罐随加热炉冷却到100℃以下，将渗锌罐从渗锌炉中取出，继续冷却至温度低于50℃，将构件与渗锌剂进行分离，构件进行后处理。
2.根据权利要求1所述的纳米复合粉末渗锌加工方法，其特征在于所述的纳米稀土为纳米氧化铈(CeO2)，其粉末的粒度直径范围为65nm～455nm，平均粒度为110nm，其中粒度小于110nm的粉末的体积含量≥50％。
3.根据权利要求1或2所述的纳米复合粉末渗锌加工方法，其特征在于所述的细化研磨是在高能球磨机中进行，研磨处理时间为10～20小时。
4.根据权利要求3所述的纳米复合粉末渗锌加工方法，其特征在于所述的锌粉的粒度为120目，锌含量≥98％。
5.根据权利要求4所述的纳米复合粉末渗锌加工方法，其特征在于所述的活化剂为氯化铵(NH4Cl)或氯化锌(ZnCl2)，所述的填充剂为石英砂(SiO2)或氧化铝(Al2O3)。
6.根据权利要求5所述的纳米复合粉末渗锌加工方法其特征在于所述的活化剂为氯化铵(NH4Cl)，填充剂为石英砂(SiO2)。
7.根据权利要求6所述的纳米复合粉末渗锌加工方法，其特征在于所述的石英砂的粒度为40～100目。
全文摘要
本发明提供一种纳米复合粉末渗锌加工方法，包括金属构件的前处理、粉末渗锌加工以及金属构件的后处理。粉末渗锌加工包括纳米复合粉末渗锌剂的配制、渗锌过程和冷却分离过程。本发明的纳米复合粉末渗锌加工方法，渗锌过程所需的保温时间短、渗锌过程加热温度较低、渗层均匀、抗冲击和抗腐蚀性能高，适于普通构件及大型、结构复杂的金属构件的渗锌加工。
文档编号C23C24/08GK1730727SQ20051001316
公开日2006年2月8日 申请日期2005年1月31日 优先权日2005年1月31日
发明者姜海龙 申请人:天津市先知邦钢铁防腐工程有限公司