本發(fā)明涉及一種含銅滲鋅劑，特別涉及一種含稀土鑭的銅鋅滲鋅劑，及金屬材料滲鋅的方法。

背景技術(shù)：

金屬材料因其優(yōu)良的性能和簡單的制備工藝使其成為目前使用范圍和使用量最廣泛的材料，其中以鋼鐵材料的使用最為廣泛，大至尖端前沿科技，小到日常生活。

腐蝕是當(dāng)前導(dǎo)致鋼鐵材料失效最重要的原因之一；腐蝕會直接破壞和改變鋼鐵材料的微觀組織，使鋼鐵材料的外觀改變、硬度和塑性等宏觀力學(xué)性能降低。另外，部分由于腐蝕而造成的材料失效并不能直接從材料表面看出來，這給人們的生活和生產(chǎn)安全埋下了隱患。因此，防止材料的腐蝕是當(dāng)前材料工作者最重要的奮斗目標(biāo)之一。

表面改性是鋼鐵材料防腐最常見的一種手段，包括涂層、滲鍍陽極金屬等。通過對鋼鐵材料的表面進(jìn)行改性處理可以隔絕腐蝕劑與鋼鐵材料的接觸或者棲生表面陽極，從而有效的保護(hù)材料或明顯減緩材料的受腐蝕速率，提高材料的有效使用壽命，達(dá)到節(jié)約資源的目的。

粉末滲鋅指的是通過固態(tài)擴(kuò)散的方式，使鋅原子滲入基體金屬表面而形成合金層的方法，屬于化學(xué)熱處理的范疇。滲鋅層具有滲層均勻、致密、耐磨、良好的耐蝕性和耐高溫氧化性等特點(diǎn)，在中小零部件或存在配合的零部件的腐蝕防護(hù)應(yīng)用中，有著十分明顯的優(yōu)勢。

粉末滲鋅是鋼鐵材料常用的一種表面處理方式，廣泛應(yīng)用于海洋緊固件防腐、石油化工行業(yè)等。在緊固件應(yīng)用方面，滲鋅層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，耐磨性好。北京科技大學(xué)與中國石油天然氣集團(tuán)公司合作將滲鋅技術(shù)應(yīng)用于煉油及石油天然氣開采設(shè)備,成功研究開發(fā)出換熱器整體滲鋅技術(shù),其特點(diǎn)是滲鋅處理溫度低也可以防止換熱器變形并提高生產(chǎn)效率。

當(dāng)前，研究了多元合金滲鋅的方法，將金屬件與滲劑一起放入真空滲鋅罐內(nèi)抽真空，能夠提高樣品的表面硬度和耐磨性，但是需要抽真空，過程較為復(fù)雜，成本較高。有的也研究了在滲劑中加入稀土元素，促進(jìn)滲層的形成，該方法能夠提高滲鋅的效率，改善滲鋅層的表面質(zhì)量，使得滲層更加均勻、致密，但存在著厚度較薄，表面致密性差耐腐蝕性能差等不足。如文獻(xiàn)(“稀土鑭不同化合物對滲鋅層耐腐蝕性能的影響”，表面技術(shù)，東曉林等，第45卷第4期，193～197頁，2016年04月)公開了在滲鋅劑中添加稀土元素鑭，能夠提高滲鋅效率，改善滲鋅層表面的質(zhì)量，使得滲層更加均勻，但是其滲層厚度增加不明顯，滲層表面會出現(xiàn)不同程度的微裂紋及大小不一的孔隙，對耐腐蝕性能造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的滲鋅劑存在的缺陷，本發(fā)明的目的是在于提供一種能提高滲鋅速率、增加滲鋅速率，降低金屬材料自腐蝕電位和腐蝕電流密度，提高金屬材料耐腐蝕性的含銅滲鋅劑。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供一種操作過程簡單、條件溫和、低成本的金屬滲鋅的方法，該方法采用所述含銅滲鋅劑處理的金屬材料，表面致密度和耐腐蝕性能得到明顯提高。

本發(fā)明公開了一種含銅滲鋅劑，其由以下質(zhì)量百分比組分組成：鋅粉50～90％；硝酸鑭0.5～5％；氯化銨0.5～2％；銅粉0.1～3％；以總質(zhì)量為100％計(jì)量，余量為三氧化二鋁。

優(yōu)選的方案，所述鋅粉純度在99％以上，粒度為-100目。

優(yōu)選的方案，所述銅粉純度在99.9％以上，粒度為-200目。

優(yōu)選的含銅滲鋅劑由以下質(zhì)量百分比組分組成：鋅粉70～80％；硝酸鑭1～3％；氯化銨1～2％；銅粉1～2％；以總質(zhì)量為100％計(jì)量，余量為三氧化二鋁。

本發(fā)明還提供了一種所述的含銅滲鋅劑用于金屬材料滲鋅的方法，該方法是將金屬基體進(jìn)行除油、除銹處理后，與含銅滲鋅劑置于密封環(huán)境中進(jìn)行退火處理，冷卻。

優(yōu)選的方案，退火溫度為420～480℃，時(shí)間為3小時(shí)以上。退火溫度優(yōu)選為440～460℃，時(shí)間優(yōu)選為3～4小時(shí)。

本發(fā)明的稀土硝酸鑭、氯化銨、三氧化二鋁均為純度在95％以上的分析純。硝酸鑭為白色粒狀晶體，熔點(diǎn)(℃):40沸點(diǎn)(℃):126，易溶于水，易溶于乙醇。

本發(fā)明提供了一種金屬滲鋅的方法，具體包括以下步驟：

1)金屬基體尺寸為10*10*3mm；

2)對基體進(jìn)行堿洗并水洗；

3)對金屬基體進(jìn)行酸洗除銹處理并水洗烘干；

4)將含銅滲鋅劑和基體放入密封坩堝中，將坩堝置于管式電阻爐中退火，退火溫度為420～480℃，保溫時(shí)間3小時(shí)及以上；

5)空冷后水洗即得樣品。

本發(fā)明的金屬基體可以是各種金屬或金屬合金材料。

相對現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案帶來的有益技術(shù)效果：

本發(fā)明的含銅滲鋅劑在采用硝酸鑭作為催滲劑的基礎(chǔ)上，引入了少量的金屬銅，能夠明顯促進(jìn)金屬的滲鋅過程。一方面，提高鋅活性，增加鋅的擴(kuò)散速度。另一方面，滲層厚度均勻，且增加了滲層厚度(厚度60～120微米)，滲層致密、裂紋較少，外觀呈灰色，提高金屬材料表面硬度(滲層硬度為200～300hv)。第三，金屬材料的自腐蝕電位和腐蝕電流密度降低，耐腐蝕性得到明顯提高。

本發(fā)明的金屬滲鋅過程操作簡單，成本降低、條件溫和，有利于推廣應(yīng)用。

附圖說明

【圖1】為實(shí)施例1樣品的掃描電鏡照片(×500)；

【圖2】為實(shí)施例1和對比實(shí)施例1的樣品在5％nacl溶液中的極化曲線圖，a為實(shí)施例1的樣品，b為對比實(shí)施例1的樣品；

【圖3】為實(shí)施例1的樣品的掃描電鏡照片(×1000)；

【圖4】為實(shí)施例2的樣品的掃描電鏡照片(×900)；

【圖5】為對比實(shí)施例1的樣品的掃描電鏡照片(×500)；

【圖6】為對比實(shí)施例2的樣品的掃描電鏡照片(×500)；

【圖7】為對比實(shí)施例3的樣品的掃描電鏡照片(×1000)。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明本發(fā)明內(nèi)容，而不是限制本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

步驟1，按質(zhì)量百分比分別稱取200目的純鋅粉72％，氯化銨2％，硝酸鑭3％，三氧化二鋁21.5％，純銅粉1.5％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％；

步驟2，將步驟1中的材料混合均勻，利用臥式行星球磨機(jī)球磨1小時(shí)，即得含銅滲鋅劑。

步驟3，利用線切割取得尺寸為10*10*3mm的樣品，用粒度為280#，400#，600#的砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上磨至光亮。

步驟4，將步驟3的樣品進(jìn)行前處理。即堿洗-水洗-酸洗-水洗-烘干備用。

步驟5，將步驟2所得含銅滲鋅劑與試樣一起裝入密封坩堝，置于管式電阻爐中，隨爐升溫至455℃并保溫3小時(shí)，然后空冷至室溫，即得表面均勻致密，顏色呈暗灰色的樣品。

樣品的滲層厚度為70微米左右；

樣品的滲層硬度283.13hv；

樣品的表面圖如圖1所示，從圖1中可以看出表面裂紋較少，缺陷少，致密；

樣品的掃描電鏡照片如圖3所示，可以看出其表面裂紋較少；

樣品在5％nacl溶液中的極化曲線圖如圖2所示，從圖2(a)中可以看出，其腐蝕速率為0.13421mm/a，其腐蝕速率較低。

實(shí)施例2

步驟1，按質(zhì)量百分比分別稱取200目的純鋅粉72％，氯化銨2％，硝酸鑭3％，三氧化二鋁21％，純銅粉2％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％；

步驟2，將步驟1中的材料混合均勻，利用臥式行星球磨機(jī)球磨1小時(shí)，即得含銅滲鋅劑。

步驟3，利用線切割取得尺寸為10*10*3mm的樣品，用粒度為280#，400#，600#的砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上磨至光亮。

步驟4，將步驟3的樣品進(jìn)行前處理。即堿洗-水洗-酸洗-水洗-烘干備用。

步驟5，將步驟2所得含銅滲鋅劑與試樣一起裝入密封坩堝，置于管式電阻爐中，隨爐升溫至445℃并保溫3小時(shí)，然后空冷至室溫，即得表面均勻致密，顏色呈暗灰色的樣品。

樣品的滲層厚度為65微米左右；

樣品的滲層硬度213.63hv；

樣品的掃描電鏡照片如圖4所示，可以看出其表面裂紋較少，從圖4中可以看出表面裂紋較少，缺陷少，致密。

對比實(shí)施例1

步驟1，按質(zhì)量百分比分別稱取200目的純鋅粉72％，氯化銨2％，硝酸鑭3％，三氧化二鋁23％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％；

步驟2，將步驟1中的材料混合均勻，利用臥式行星球磨機(jī)球磨1小時(shí)，即得滲鋅劑。

步驟3，利用線切割取得尺寸為10*10*3mm的樣品，用粒度為280#，400#，600#的砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上磨至光亮。

步驟4，將步驟3的樣品進(jìn)行前處理。即堿洗-水洗-酸洗-水洗-烘干備用。步驟5，將步驟2所得滲鋅劑與試樣一起裝入密封坩堝，置于管式電阻爐中，隨爐升溫至450℃并保溫3小時(shí)，然后空冷至室溫，即得表面均勻致密，顏色呈暗灰色的樣品。

樣品在5％nacl溶液中的極化曲線圖如圖2(b)所示，樣品的腐蝕速率為0.21468mm/a，相對實(shí)施例1的樣品腐蝕速率高，耐腐蝕性能差；

樣品的滲層硬度160.33hv；

樣品的滲層厚度為55微米左右；

樣品的掃描電鏡照片如圖5所示，從圖中可以看出對比實(shí)施例1的照片裂紋較多，切貫穿整個(gè)滲層。

對比實(shí)施例2

步驟1，按質(zhì)量百分比分別稱取200目的純鋅粉80％，氯化銨2％，硝酸鑭2％，三氧化二鋁8％，純銅粉10％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％；

步驟2，將步驟1中的材料混合均勻，利用臥式行星球磨機(jī)球磨1小時(shí)，即得含銅滲鋅劑。

步驟3，利用線切割取得尺寸為10*10*3mm的樣品，用粒度為280#，400#，600#的砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上磨至光亮。

步驟4，將步驟3的樣品進(jìn)行前處理。即堿洗-水洗-酸洗-水洗-烘干備用。

步驟5，將步驟2所得含銅滲鋅劑與試樣一起裝入密封坩堝，置于管式電阻爐中，隨爐升溫至550℃并保溫3小時(shí)，然后空冷至室溫，即得樣品。

樣品的掃描電鏡照片如圖6所示，該樣品表面裂紋很多，表面也較為疏松，且不光澤。

對比實(shí)施例3

步驟1，按質(zhì)量百分比分別稱取200目的純鋅粉80％，氯化銨2％，硝酸鑭2％，三氧化二鋁16％，純銅粉2％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％；

步驟2，將步驟1中的材料混合均勻，利用臥式行星球磨機(jī)球磨1小時(shí)，即得含銅滲鋅劑。

步驟3，利用線切割取得尺寸為10*10*3mm的樣品，用粒度為280#，400#，600#的砂紙?jiān)陬A(yù)磨機(jī)上磨至光亮。

步驟4，將步驟3的樣品進(jìn)行前處理。即堿洗-水洗-酸洗-水洗-烘干備用。

步驟5，將步驟2所得含銅滲鋅劑與試樣一起裝入密封坩堝，置于管式電阻爐中，隨爐升溫至400℃并保溫3小時(shí)，然后空冷至室溫，即得樣品。

樣品的掃描電鏡照片如圖7所示，該樣品表面裂紋很多，表面也較為疏松，且不光澤。