本发明属于高强度紧固件表面防腐技术领域，具体涉及一种铁基紧固件的合金原子多渗涂层表面处理方法。
背景技术：
铁基紧固件是指以铁作为主要基材的金属连接紧固件，包括铁基合金件，属于最常用的高强度连接部件，通常的使用工况环境复杂且恶劣，如工业大气酸雨环境、沿海潮湿环境、西北风砂侵蚀等，又常会伴随着长期的机械震动、磨损、应力冲击，往往会对铁基紧固件造成腐蚀和破坏，严重地缩短铁基紧固件的使用寿命。这就要求对铁基紧固件表面进行防腐处理，现有的涂层防腐技术虽然具有较高的表面硬度和抗划伤性能，但是仍不能满足铁基紧固件在恶劣工况环境下的使用要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于合金原子渗技术的高强度紧固件表面处理方法，尤其是一种基于合金原子多渗涂层技术的铁基紧固件表面处理方法，创新的针对铁基紧固件这类高强度紧固件引入合金原子渗技术对其表面进行处理，使得处理后的铁基紧固件具有优异的耐腐蚀性能和抗划伤性能，提高了铁基紧固件在各种环境复杂恶劣工况下的使用寿命。
为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种铁基紧固件的合金原子多渗涂层表面处理方法，包括以下步骤：
步骤一、采用机械抛丸方法对铁基紧固件表面进行除锈与磨砂处理；
步骤二、将处理后的铁基紧固件和锌饱和化合物装入热处理炉，控制热处理温度使得铁基紧固件表面形成锌铁合金原子渗涂层；
步骤三、对步骤二形成的锌铁合金原子渗涂层采用氧化铝陶瓷颗粒进行抛光处理；
步骤四、重复执行步骤二和步骤三预定次数，在铁基紧固件的表面制备形成具有预定厚度的多层锌铁合金原子渗涂层；
步骤五、对步骤四最终得到的铁基紧固件表面的多层锌铁合金原子渗涂层进行表面抛光处理；
步骤六、对抛光处理后的多层锌铁合金原子渗涂层进行表面钝化处理；
步骤七、对钝化处理后的铁基紧固件进行清洗烘干处理，得到表面经合金原子多渗涂层处理后的铁基紧固件。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤一中采用粒度在0.5~1.2mm的钢丸对待处理的铁基紧固件表面进行机械抛丸5~20min，得到除锈磨砂后的铁基紧固件。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤二进一步包括如下步骤：
步骤（1）、将处理后的铁基紧固件和锌饱和化合物按一定比例装入热处理炉的加热滚筒中；
步骤（2）、控制热处理炉的加热滚筒进行旋转，并控制加热滚筒内的加热温度达到360-440℃；
步骤（3）、加热滚筒在360-440℃下保温预定时间后降温至80℃以下并停止旋转，通过粉末分离系统将铁基紧固件和未消耗的剩余粉末进行分离，从而在铁基紧固件表面形成厚度在10~30μm的单层锌铁合金原子渗涂层。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤（1）中所述的锌饱和化合物包括锌粉和氧化锌粉，锌粉的质量含量大于等于70%。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤（1）中所述的锌饱和化合物包括锌粉、氧化锌粉和其他辅料，所述锌粉的质量含量大于等于70%，所述氧化锌粉的质量含量大于等于20%，所述其他辅料包括二氧化钛粉末、二氧化硅粉末、碳酸钙粉末、铁粉和磷酸铝粉末中的至少一种。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中所述锌饱和化合物具有下述组成之一：
70%的锌粉、20%的氧化锌和10%的其他辅料，其他辅料组成为3%的二氧化钛、2%的二氧化硅、1%的碳酸钙和4%的磷酸铝；
或者75%的锌粉、20%的氧化锌和5%的其他辅料，其他辅料组成为2%的二氧化钛、2%的二氧化硅和1%的磷酸铝；
或者70%的锌粉、25%的氧化锌和5%的其他辅料，其他辅料组成为2%的二氧化钛、1%的二氧化硅和2%的磷酸铝；
或者70%的锌粉、22%的氧化锌和8%的其他辅料，其他辅料组成为2%的二氧化钛、2%的二氧化硅、2%的磷酸铝和2%的铁粉；
或者72%的锌粉、23%的氧化锌和5%的其他辅料，其他辅料组成为1%的二氧化钛、1%的二氧化硅、1%的碳酸钙和2%的铁粉。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤（1）中，所述锌饱和化合物和铁基紧固件工件的质量比例为1:40~1:120。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤（2）中控制热处理炉的加热滚筒以5~15rad/min的转速进行旋转。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤（3）中控制热处理炉的加热滚筒在360-440℃下保温0.5~1小时。
进一步的根据本发明所述的合金原子多渗涂层表面处理方法，其中步骤四中重复执行步骤二和步骤三3-6次，在铁基紧固件的表面制备形成厚度在50~120μm的多层锌铁合金原子渗涂层。
通过本发明所述铁基紧固件的合金原子多渗涂层表面处理方法具有以下技术优势：
本发明创新实现了合金原子渗技术在铁基紧固件表面处理中的应用，提出一种全新的基于合金原子渗工艺的铁基紧固件防腐材料表面处理方法，所述处理方法主要包括抛丸前处理、装炉多渗、加热保温处理、冷却分离处理和抛光钝化处理，工艺步骤简单易行，工艺过程成本较低、无任何环保压力，处理后的铁基紧固件具有优异的耐腐蚀性能且对铁基紧固件的疲劳性能无影响，无论是在酸雨、盐雾、风砂等恶劣复杂的环境下均能保持铁基紧固件的优异耐腐蚀性能，具有广阔的推广应用前景。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够清楚的理解本发明。
本发明提出一种铁基紧固件的合金原子多渗涂层表面处理方法，包括以下步骤：
步骤一、采用机械抛丸方法对铁基紧固件表面进行除锈与磨砂处理；具体的采用粒度在0.5~1.2mm的钢丸对待处理的铁基紧固件表面进行机械抛丸5~20min，得到除锈磨砂后的铁基紧固件。
步骤二、将处理后的铁基紧固件和锌饱和化合物装入热处理炉，控制热处理温度使得铁基紧固件工件表面形成锌铁合金原子渗涂层；该步骤二进一步包括如下步骤：
步骤（1）、将处理后的铁基紧固件和锌饱和化合物按一定比例装入热处理炉的加热滚筒中；其中所述锌饱和化合物主要包括锌粉和氧化锌粉，也可选择性的包括二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙、铁粉、磷酸铝中的至少一种粉料作为其他辅料，所述锌饱和化合物中锌粉的重量比为70~80%、氧化锌粉的重量比为20~30%，余量为其他辅料，同时各组份的质量百分比之和为100%，本领域技术人员可以在该范围内灵活选择，如：优选的锌饱和化合物由70%的锌粉、20%的氧化锌粉和10%的其他辅料组成，其他辅料包括3%的二氧化钛、2%的二氧化硅、1%的碳酸钙和4%的磷酸铝，或者优选的锌饱和化合物由75%的锌粉、20%的氧化锌粉和5%的其他辅料组成，其他辅料包括2%的二氧化钛、2%的二氧化硅和1%的磷酸铝，或者优选的锌饱和化合物由70%的锌粉、25%的氧化锌粉和5%的其他辅料组成，其他辅料包括2%的二氧化钛、1%的二氧化硅和2%的磷酸铝。或者优选的锌饱和化合物由70%的锌粉、22%的氧化锌和8%的其他辅料组成，其他辅料组成为2%的二氧化钛、2%的二氧化硅、2%的磷酸铝和2%的铁粉。或者优选的锌饱和化合物由72%的锌粉、23%的氧化锌和5%的其他辅料组成，其他辅料组成为1%的二氧化钛、1%的二氧化硅、1%的碳酸钙和2%的铁粉。所述锌饱和化合物的用量满足关系：锌饱和化合物质量和铁基紧固件工件质量比例关系为1：40~1：120，优选的为1：50-1：100、1：60-1：90。
步骤（2）、控制热处理炉的加热滚筒进行旋转，并控制加热滚筒内的加热温度达到360-440℃；优选的控制加热滚筒以5~15rad/min的转速进行旋转，并使铁基紧固件工件在该加热温度360-440℃下保温0.5~1小时，在该温度下经过该段时间的保温，锌饱和化合物中的锌金属原子等利用其较好的热扩散性能向铁基紧固件工件基材表面进行扩散，并在基材表面生成互扩散层，该互扩散层是由不同成分的锌-铁合金相组成的锌铁合金原子渗涂层，与铁基紧固件工件基材形成冶金结合。
步骤（3）、加热滚筒在360-440℃下保温0.5~1小时后降温至80℃以下并停止旋转，通过粉末分离系统将铁基紧固件和未消耗的剩余粉末进行分离，从而在铁基紧固件表面形成厚度在10~30μm的单层锌铁合金原子渗涂层。
步骤三、对步骤二形成的锌铁合金原子渗涂层采用氧化铝陶瓷颗粒进行抛光处理10~20min；所述氧化铝陶瓷颗粒粒径优选的在1~10mm，更优选的为4~8mm。
步骤四、重复执行步骤二和步骤三预定次数，优选的重复3-6次，或3-5次，最终在铁基紧固件的表面制备形成具有预定厚度的多层锌铁合金原子渗涂层，优选的形成厚度在50~120μm，更有选的形成厚度在60~90μm、65~80μm的多层锌铁合金原子渗涂层。
步骤五、对步骤四最终得到的铁基紧固件表面的多层锌铁合金原子渗涂层进行表面抛光处理；优选的采用粒径在5~15mm氧化铝陶瓷颗粒进行表面抛光；
步骤六、对抛光处理后的多层锌铁合金原子渗涂层进行表面钝化处理；优选的采用kd-1钝化溶液钝化10~20min，kd-1钝化液为高级脂肪酸盐溶液；
步骤七、对钝化处理后的铁基紧固件进行清洗烘干处理，得到表面经合金原子多渗涂层处理后的铁基紧固件。
本发明通过利用合金原子渗技术对铁基紧固件表面进行多层渗涂处理后，在铁基紧固件表面形成的多层锌铁合金原子渗涂层外观颜色为灰色，涂层厚度为50~120μm，涂层均匀、连续性好。经后处理后，涂层颜色由灰色到深灰色，耐腐蚀性能优异，结合力良好，本发明进一步对经合金原子渗技术进行表面处理后的铁基紧固件做了深入的性能检测，证实了其具有更加优异的耐磨、耐腐蚀、抗划伤等性能：
（1）铁基紧固件的耐腐蚀性能首先采用gbt10125-2012中性盐雾试验，试验周期为1000h，涂层评价标准为gbt-6461-2002，经过1200h腐蚀试验后，铁基紧固件的保护等级仍达到9级以上；
（2）同时铁基紧固件在凝露条件下的耐二氧化硫腐蚀试验采用gbt-9789-2008，试验周期为120h，涂层评价标准为gbt-6461-2002，铁基紧固件二氧化硫腐蚀试验分为两组，第一组的铁基紧固件是合金原子渗完整涂层，第二组铁基紧固件是合金原子渗后，模拟风砂冲击试验，对铁基紧固件特定部位涂层进行喷砂破坏处理，涂层表面试验是存在一定强度的破坏条件下进行的。结果显示，第一组的合金原子渗完整涂层样品涂层保护等级仍为10级，第二组经喷砂破坏的样品，涂层保护等级也达到9级；
（3）铁基紧固件的疲劳性能检测方法采用tb/t2329-2002，随机选用3件合金原子渗铁基紧固件试样，经5×106次载荷循环后，结果显示，3件试样表面均无宏观损伤，残余变形量均小于0.8mm，均为合格；
（4）下表1具体对比了基于本发明所述方法与现有方法处理后的铁基紧固件的性能对比：
表1铁基紧固件表面性能对比
综上，本发明创新的将合金原子多渗技术应用于对铁基紧固件的表面处理，结合铁基紧固件的铁质材质和基于锌饱和化合物的原子渗技术，能够在铁基紧固件表面形成坚硬、牢固、耐磨、耐腐蚀的多层锌铁合金原子渗涂层，其经钝化后处理后完全达到了铁基紧固件在各种应用工况下的表面防腐要求，同时所述锌铁合金原子渗涂层又能够与铁质基体实现高强度结合，且对铁基紧固件的疲劳性能无任何不良影响，大大提升了铁基紧固件在盐雾、酸雨、风沙或特殊环境条件下的使用寿命。
实施例
下面给出本发明的一个具体实施例。
本实施例针对可应用于高速铁路钢轨连接系统中的铁基紧固件进行表面处理，具体包括以下过程：
（1）采用粒度0.6~0.8mm的钢丸对铁基紧固件表面抛丸15~20min；
（2）将抛丸后的铁基紧固件和一定量的锌饱和化合物装入热处理炉的加热滚筒中；所述锌饱和化合物由72%的锌粉、23%的氧化锌和5%的其他辅料，其他辅料组成为1%的二氧化钛、1%的二氧化硅、1%的碳酸钙和2%的铁粉，锌饱和化合物质量的添加量为铁基紧固件重量的1/80。
（3）以6rad/min的转速转动加热滚筒，将零件加热至380~400℃之间，保温0.8小时；
（4）将零件冷却至70℃以下，停止旋转滚筒，通过分离系统将铁基紧固件和粉末进行分离；
（5）采用氧化铝陶瓷颗粒对分离后的铁基紧固件表面进行抛光处理15min；
（6）采用kd-1钝化溶液对抛光处理后的铁基紧固件表面钝化20min；
（7）最后用水清洗钝化后的铁基紧固件并烘干。
对本实施例处理后的铁基紧固件通过二氧化硫腐蚀试验（包括经模拟风砂冲击后在通过二氧化硫腐蚀盐）进行表面性能测试，经测试铁基紧固件本实施例处理的铁基紧固件表面涂层保护等级达到10级，经过1000h中性盐雾腐蚀试验后保护等级仍达到10级，表面硬度达到hv420，且对基体疲劳性能无影响，这些性能都是现有技术根本无法实现的。
综上本发明创新实现了多层合金原子渗技术在铁基紧固件表面处理中的应用，提出一种全新的基于合金原子渗工艺的铁基紧固件防腐材料表面处理方法，所述处理方法主要包括抛丸前处理、装炉多渗、加热保温处理、冷却分离处理和抛光钝化处理，工艺步骤简单易行，工艺过程成本较低、无任何环保压力，处理后的铁基紧固件具有优异的耐腐蚀性能且对铁基紧固件的疲劳性能无影响，无论是在酸雨、盐雾、风砂等恶劣复杂的环境下均能保持铁基紧固件的优异耐腐蚀性能，具有广阔的推广应用前景。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。