专利名称：一种基于纳米技术在铝表面合金化的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于纳米技术在招表面合金化的方法，属于金属表面合金化技术领域。
背景技术：
金属表面合金化是通过扩散改变基体金属表面层的成分和组织的材料保护技术。主要是在外界条件下表面生成钝化膜或者是获得与基体具有冶金结合的各种特殊的化合物层，使得材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性能和抗高温氧化性能提高，这是一种重要的提高金属机械性能的方法。
在机械制造中主要应用的是铝、铬、硅、钒、锌等的表面合金化层或渗层。渗层是利用金属卤化物蒸汽与金属表面层产生化学反应形成的，或是在液相中发生化学反应而形成的。对于铝有多种渗层。最早的是在碳素钢或低合金钢基体上获得含铝约25%、层厚约125 1000微米的覆层。这种覆层具有在大气或炉气中长期抗800°C以内的氧化的能力，用于生产空气加热器、加热炉和蒸汽过热器的构件。铝铁合金需要在渗剂中加热到1080°C，经24小时而获得25 150微米厚的覆层。渗前若先镀扩散屏蔽层(如钼)，便可以抑制或延缓基体与覆层中金属元素间的相互扩散。近年来利用纳米技术进行材料改性的新方法发展迅速，已广泛应用于纳米材料的制备以及金属表面改性。大约在20世纪90年代就有人开始在合金表面制备Ti02、Al203和SiO2涂层，并对它们的应用进行了广泛的研究，被证实具有良好的抗高温、耐腐蚀的能力。但单一组分或双组分的氧化物涂层具有一定的局限性，为了更好的提高涂层的性能，人们开始尝试制备多组分氧化物涂层，这样会是薄膜更连续和致密，提高材料的耐腐蚀性和热稳定性。纳米科学是20世纪80年代末诞生并正在迅猛发展的前沿性、交叉性的高科技新兴学科领域。纳米尺寸的金属颗粒由于具有小尺寸效应、量子尺子效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特殊的性质，因而具有不同于相应块体材料的光学、电磁学及化学性能，与常规材料相比，它在材料科学、信息科学、催化及生命科学等领域具有无可比拟的优越性，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值。此外，随着技术的不断发展，纳米粉体及纳米薄膜的制备、研究及应用也越来越广泛。基于前人的研究成果，本发明综合了金属涂层的表面处理技术、纳米制备方法及钢板表面合金化等热点研究领域。本发明是通过机械研磨法和超声处理等技术相结合制备纳米级的铝铁粉，然后将其均匀喷涂覆盖到铝的表面，利用H2气氛下高温环境均匀的渗入铝表面，使得表面铁含量达到109Γ13%，从而达到通过简单的工艺提高铝表面硬度和耐蚀性的目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纳米技术在铝表面合金化的方法。本发明在铝表面合金化的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤a.将普通冷轧铝板的表面从粗到细进行打磨，然后进行机械抛光，经无水乙醇、丙酮和去离子水依次超声清洗，保证表面清洁无杂物。最后对铝板进行时效处理，在io(Ti5(rc，保持5 15小时，稳定铝板的组织和尺寸；
b.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，球磨2(Γ30小时，将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到铝的表面，覆盖层厚度为20 μ πΓ75 μ m ;具体工艺参数如下；
Fe : Al = I: (4 8)(质量比)；
乙醇粉体=5 I (质量比)；
高能球磨机转速=500r/min ；
球磨时间=20 30 h ; c.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在1(T20°C/min升温至40(T800°C，保温时间为2飞h，然后随炉冷却；最终得到铝板表面的铝铁合金化膜层。本发明的优点是工艺简单易行。通过在钢板表面涂覆纳米级的铝铁粉，降低热渗温度，在氢气分下，高活性铁原子利用还原时候高温环境均匀的渗入冷轧铝板的表面；同时可以控制涂覆纳米级铝铁粉厚度来达到控制表面铁含量的目的，极大的提高铝的表面硬度及其耐腐蚀性能。
具体实施例方式本发明的具体实施叙述于下
实施例I
I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°c，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为22 μ m。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至400°C，保温时间为2h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例2
I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°C，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为47μπι。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至400°C，保温时间为4h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例3I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°c，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为65μπι。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至400°C，保温时间为6h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例4 I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°C，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为24 μ m。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至600°C，保温时间为2h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例5
I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°C，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为45μπι。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至600°C，保温时间为4h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例6
I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°C，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为68 μ m。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至600°C，保温时间为6h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例7
I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°C，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为23 μ m。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至800°C，保温时间为2h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例8
I.首先将普通铝表面打磨光滑，并在150°C，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。
2.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为44 μ m。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至800°C，保温时间为4h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。实施例9
I.先将普通铝表面打磨光滑，并在150°C，保持10小时进行时效处理，稳定铝板的组织和尺寸。2.用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定质量比I :5混合均匀后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，调整液固比为5:1，高能球磨机转速为500r/min，球磨28小时。3.将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到纯铝表面，覆盖层厚度为75 μ m。4.将覆盖纳米层的铝板置于氢气气氛炉内。在氢气气氛下升温速率控制在15°C /min升温至800°C，保温时间为6h，随炉冷却。5.将处理后的铝板进行维氏硬度测试并通过塔菲尔试验测其腐蚀性能。各实施例所得样品的测试结果见下表I。表I测得实施案例所有样品的维氏硬度，以及塔菲尔的测试结果比较
权利要求
1.一种基于纳米技术在铝表面合金化的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤 a.将普通冷轧铝板的表面从粗到细进行打磨，然后进行机械抛光，经无水乙醇、丙酮和去离子水依次超声清洗，保证表面清洁无杂物；最后对铝板进行时效处理，在io(Ti5(rc，保持5 15小时，稳定铝板的组织和尺寸； b.采用机械球磨法，将工业纯铁和铝粉按一定(质量比)混合均匀后放入球墨罐中，力口入一定量的酒精，球磨2(Γ30小时，将球磨好的纳米级铝铁粉涂覆到铝板表面，覆盖层厚度为20 μ πΓ75 μ m ;具体工艺参数如下 Fe : Al = I: (4 8)(质量比)； 乙醇粉体=5 I (质量比)； 高能球磨机转速=500r/min ； 球磨时间=20 30 h ; c.将覆盖纳米铝铁粉的铝板置于氢气气氛炉内； 在氢气气氛下升温速率控制在1(T20°C /min升温至40(T800°C，保温时间为2飞h，然后随炉冷却；最终得到铝板表面的铝铁合金化膜层。
全文摘要
本发明涉及一种基于纳米技术在铝表面合金化的方法，属于金属表面合金化技术领域。通过球磨得到的纳米级铝铁粉涂覆到铝板表面，利用氢气氛高温环境下均匀的渗入铝表面以达到合金化，使得表面铁含量达到10%~13%；从而达到通过简单的工艺提高铝板表面硬度和耐腐蚀性能的目的。经过测试，处理后的试样在硬度和耐蚀方面均有大幅度提高。
文档编号C23C10/30GK102864449SQ201210366648
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者钟庆东, 刘慧娟, 周琼宇, 郁利彬, 李珂 申请人:上海大学