一種均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋼鐵結(jié)構(gòu)件表面防護(hù)領(lǐng)域，特別涉及冷噴涂技術(shù)和涂層均勻退火技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼鐵材料表面鍍鋅或鋅合金是一種最常用、最有效的防護(hù)方法之一，特別是汽車(chē)、家電工業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用，工業(yè)上一直是研究的熱點(diǎn)。申請(qǐng)?zhí)?01010205272.7的專(zhuān)利公開(kāi)了一種鋅鎂或鋅鋁鎂鍍層鋼板生產(chǎn)方法及其鋅鋁鎂鍍層鋼板，利用冷噴涂處理設(shè)備對(duì)鍍鋅鋼板進(jìn)行冷噴涂鎂或鎂合金粉末，接著在連續(xù)退火爐中還原性保護(hù)氣氛下對(duì)鋼板進(jìn)行熱處理，加熱后立即對(duì)鍍層進(jìn)行冷卻至室溫，獲得鋅鋁鎂鍍層鋼板在鍍層表面含有鋁鎂，鍍層內(nèi)部鋁鎂含量逐漸降低，與鋼板結(jié)合部位以鍍純鋅為主的覆膜鋼板，耐蝕性、加工性能和表面質(zhì)量良好。申請(qǐng)?zhí)?01110119690.9的專(zhuān)利公開(kāi)一種金屬防腐涂層及其電弧噴涂工藝，金屬防付涂層包括鋅鋁合金底層、純鋁中間層和封閉漆面層，鋅鋁合金底層的厚度為100 μ m、純鋁中間層80-100 μ m、封閉漆面層的厚度70-90 μ m,漆面層材質(zhì)為氟碳面漆。鋅鋁合金底層、純鋁金屬中層采用二次霧化電弧金屬的方式進(jìn)行噴涂，封閉面漆層采用噴涂方式進(jìn)行。申請(qǐng)?zhí)?01010596519.2的專(zhuān)利公開(kāi)了一種耐熔蝕FeAl金屬間化合物基復(fù)合機(jī)構(gòu)涂層的制備方法，以Fe、Al及陶瓷顆粒為原料，以球磨方法制備出合金粉末，采用冷噴涂在基體上沉積涂層，通過(guò)熱處理制備出FeAl金屬間化合物基復(fù)合機(jī)構(gòu)涂層，在一定氧分壓下使其表面形成一層均勻致密的A1203薄膜，該方法獲得的涂層自身具有較好的高溫耐磨損性能與耐Zn (Al)腐蝕性能，主要用于鋼鐵鍍鋅等行業(yè)。申請(qǐng)?zhí)朖P59009162A的專(zhuān)利提供了一種鋼板表面耐蝕涂層的制備方法，首先用噴砂或其它方法線(xiàn)狀粗化鋼板表面，然后在鋼板表面噴涂Zn、Al或合金涂層，噴涂方法為冷態(tài)噴涂，細(xì)小的陽(yáng)極犧牲材料(如Zn)放電熔化后由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)粘附在鋼板表面，具有很高的抗鐵銹能力。申請(qǐng)?zhí)朇N99100887.1的專(zhuān)利公開(kāi)了一種在鋼鐵表面浸鍍5%A1 - Zn合金的方法，其步驟包括熱浸鍍鋅處理、鍍層厚度降低處理、和熱浸鍍5%A1 — Zn合金，而于鋼鐵表面上獲得長(zhǎng)效性的鍍層。經(jīng)過(guò)本發(fā)明方法于鋼鐵表面所形成的5%A1 - Zn合金鍍層大部分為共晶結(jié)構(gòu)，在界面處會(huì)形成Fe —Zn — Al三元結(jié)構(gòu)的介金屬層，其大幅提升鋼鐵的抗蝕功能及具有優(yōu)良機(jī)械性能，是優(yōu)良的鍍膜。
[0003]然而，上述技術(shù)在鋼板表面制備ZnAl復(fù)合涂層一般環(huán)境溫度都很高(高于Zn或ZnAl熔點(diǎn))，液態(tài)鋅及鋅合金與鋼板基體接觸發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)易，極短時(shí)間內(nèi)形成很厚脆性的金屬間化合物，工藝控制不當(dāng)還會(huì)形成“爆發(fā)組織”，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀形貌和成形性能。熱噴涂過(guò)程伴隨大量熱，使得噴涂材料極易發(fā)生氧化、相變而影響涂層的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起基板材料的熱變形。與之相比，冷噴涂技術(shù)可以冷態(tài)下實(shí)現(xiàn)ZnAl合金涂層制備。但由于冷噴涂涂層為顆粒與顆粒之間強(qiáng)烈變形結(jié)合，塑形較差，受到機(jī)械變形或熱變形極易形成局部裂紋；同時(shí)冷噴涂涂層沉積過(guò)程中顆粒發(fā)生嚴(yán)重的不均勻塑形變形，顆粒邊緣變形量遠(yuǎn)高于心部，造成涂層內(nèi)部存在很大的應(yīng)力集中，影響涂層力學(xué)和耐蝕性能。本發(fā)明通過(guò)鋼板表面冷噴涂ZnAl合金涂層，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚫纳仆繉咏M織，獲得均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種鋼鐵結(jié)構(gòu)件表面Zn-Al合金防護(hù)涂層，耐蝕性能和抗劃擦性能優(yōu)于現(xiàn)有熱浸鍍鋅產(chǎn)品和常規(guī)冷噴涂。本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供該防護(hù)涂層的制造方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層，所述涂層為Zn-Al合金組成，Al元素含量為5-35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)；所述粉末中心粒徑范圍為35-50 μ m,其中，粒徑< 10 μ m的粉末比例體積比不超過(guò)10%,粒徑彡80 μ m的粉末粒徑體積比不超過(guò)20% ;所述顆粒內(nèi)部為細(xì)小的枝晶組織。
[0006]顆粒是指Zn-Al合金顆粒，粉末是大量顆粒的組合；每個(gè)顆粒內(nèi)部還有下一層級(jí)的微觀組織結(jié)構(gòu)，“枝晶組織”就是一種金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)。
[0007]一般而言，本發(fā)明成分范圍內(nèi)的Zn-Al合金制粉過(guò)程中凝固時(shí)會(huì)形成枝晶組織；本發(fā)明后續(xù)的工藝及控制措施都是基于這種具有枝晶組織的粉末得出的結(jié)論。也就是說(shuō)，如果不使用“顆粒內(nèi)部為細(xì)小的枝晶組織的粉末”，可能無(wú)法獲得本發(fā)明中相關(guān)的性能改盡口 ο
[0008]本發(fā)明還提供了上述均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層的制備方法，包括:
[0009]a、配制Zn-Al合金成分，Al元素含量為5_35wt.%,余量為Zn和不可避免的雜質(zhì)；
[0010]b、采用霧化激冷的方法制備Zn-Al合金粉末，獲得顆粒內(nèi)部為細(xì)小的枝晶組織粉末；
[0011]C、然后利用高速惰性氣體和/或還原性氣體為載氣，在鋼鐵結(jié)構(gòu)件表面高速?lài)娚涑练e100-500 μ m厚的Zn-Al合金涂層；最后對(duì)涂層進(jìn)行均勻化退火處理，獲得由富Zn相和富Al相均勻分布的復(fù)合組織結(jié)構(gòu)；所述均勻化退火處理包括涂層的熱處理、恒溫和冷卻過(guò)程。
[0012]利用高速惰性和/或還原性氣體為載氣，在鋼鐵結(jié)構(gòu)件表面高速?lài)娚涑练e100-500 μ m厚的Zn-Al合金涂層這一過(guò)程本身就是一個(gè)噴涂工序，首先是將氣體加速至超音速；然后將Zn-Al合金粉末混入高速氣體中，由高速氣體拖曳獲得一定速度，高速的Zn-Al合金顆粒撞擊鋼鐵機(jī)構(gòu)件表面沉積形成涂層。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層的制備方法，優(yōu)選的是，步驟b所述霧化氣體為惰性氣體。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層的制備方法，優(yōu)選的是，步驟b所述合金粉末中心粒徑范圍介于35-50 μ m，其中，粒徑< 10 μ m的粉末體積比不超過(guò)10%，^ 80 μ m粉末粒徑的體積比不超過(guò)20%。
[0015]直接霧化制備的粉末粒徑范圍一般很寬，獲得所需的粒徑范圍主要通過(guò)篩分來(lái)保證，即利用不同篩網(wǎng)密度的篩子將太大和太小的粒子過(guò)濾掉，留下所需粒徑；粉末中心粒徑小于35微米，容易導(dǎo)致噴涂過(guò)程中很多顆粒被吹飛，而不是沉積形成涂層，導(dǎo)致涂層制備效率降低。大于50微米由于單個(gè)粒子重量過(guò)大，不容易加速到沉積的臨界速度，也會(huì)導(dǎo)致沉積效率下降；另外，大于50微米還會(huì)產(chǎn)生孔隙，影響涂層的致密度。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層的制備方法，優(yōu)選的是，步驟c所述載氣為含H2或CO與氮?dú)饣旌蠚怏w，或H2或CO與氦氣的混合氣體，或H2與氮?dú)?、氦氣三者混合，或CO與氮?dú)?、氦氣三者混合；其中H2或CO體積比小于3%。
[0017]此處具體可指H2與氮?dú)饣旌?、H2與氦氣混合、CO與氮?dú)饣旌?、CO與氦氣混合，或者H2與氮?dú)狻⒑馊呋旌?，CO與氮?dú)?、氦氣三者混合；上述任一組合中H2或⑶體積比小于3% ο
[0018]根據(jù)本發(fā)明的均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層的制備方法，優(yōu)選的是，步驟c所述高速?lài)娚涑练e過(guò)程中Zn-Al合金顆粒自身溫度小于0.3Tm, Tm為Zn-Al合金的熔點(diǎn)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的均勻復(fù)合結(jié)構(gòu)鋅鋁防護(hù)涂層的制備方法，優(yōu)選的是，步驟c所述熱處理溫度范圍為250-350°C，保溫時(shí)間介于30-180min之間。
[0020]進(jìn)一步地，高速?lài)娚涑练eZn-Al合金涂層熱處理隨爐加熱，加熱速率5-10°C /min。隨爐加熱在金屬材料熱處理領(lǐng)域有特定的含義，是指室溫將材料放入加熱爐中，然后開(kāi)啟加熱爐加熱至設(shè)定溫度；隨爐加熱主要指還沒(méi)有達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)的加熱過(guò)程，是一個(gè)溫度逐漸升高的過(guò)程，而不是某溫度恒溫過(guò)程.
[0021]優(yōu)選的是，高速?lài)娚涑练eZn-Al合金