[发明专利]铁合金表面锌铝原位梯度涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及金属表面复合涂层领域，特别涉及一种铁合金表面锌铝原位梯度涂层及其制备方法。液态锌与铁合金发生液固界面反应生成Fe‑Zn化合物相层、锌液与固态铝扩散生成Zn‑Al固溶体；同时外层铝原子逐渐向内扩散，形成具有铝浓度梯度的Fe‑Zn‑Al化合物相层。所得到的涂层致密，无明显脱落、裂纹等。通过控制扩散温度以及扩散时间来控制锌铝合金液中的铝浓度梯度以及各化合物相层的厚度，具有成型性能稳定、梯度性能可调控的优点。各组织层过渡平滑，不产生界面效应降低力学性能，具有热稳定性好、耐腐蚀性能优良、制备工艺简单、成本低廉等优点，可大大提高铁合金工件的使用寿命。

技术领域

本发明涉及金属表面复合涂层领域，特别涉及一种铁合金表面锌铝原位梯度涂层及其制备方法。

背景技术

钢铁制品在人类生活和生产过程中发挥着重要的作用，汽车、轮船、飞机等各类交通运输工具以及建筑工业应用的大部分零部件都为钢铁制品。钢铁自诞生以来就面临着防锈的问题，而钢铁腐蚀生锈又是在自然环境作用下发生的最普遍的自然现象。钢铁热浸镀锌工艺开始工业生产是在19世纪初期，200年来该工艺发展较快，在全世界各国都得到普遍应用。

热镀铝和热镀锌都是钢铁防大气腐蚀的有效方法，各自优缺点如下：热镀铝层耐热性和防大气腐蚀效果比镀锌层好，但缺乏牺牲阳极保护作用，其浸镀温度较高(～700℃)容易漏镀，且镀层在水中会产生点蚀，令保护作用大大削弱；而热镀锌层在弱酸性含SO₂的工业大气和海洋环境中的耐蚀性较差，但具有牺牲阳极保护作用，浸镀温度较低(440℃～460℃)。由于锌和铝的电极电位和它们表面的氧化膜状态不同，它们的镀层对钢铁表面的保护机理不一样。在介质气氛下锌是以牺牲阳极的作用来保护阴极基体铁免受电化学反应而腐蚀；而铝则是对钢基体以包封的涂层作用而起保护作用。铝不起牺牲阳极的保护作用。

热浸镀锌铝合金作为一种防腐蚀镀层，具有Zn阳极保护和Al钝化保护的双重功效，耐蚀性好，并且加工性能和抗高温氧化性能优良，被广泛应用于建材、车船、家电、通信等领域。

目前，Zn-Al合金镀层产品的生产均采用将钢板还原退火后再热浸镀的连续热浸镀工艺，该工艺的缺点是容易产生镀件表面质量变差且镀不上的问题，其原因是工艺过程中钢铁经溶剂助镀处理后再热浸镀批量镀锌铝，锌池中的Al与常规的氯化锌氨助镀剂发生反应导致表面质量极差且镀层不均匀。

发明内容

本发明提供一种铁合金表面锌铝原位梯度涂层及其制备方法，通过液态锌与铁合金发生液固界面反应生成Fe-Zn化合物相层、液态锌与固态铝扩散生成Zn-Al固溶体；同时外层铝原子逐渐向内扩散，形成具有铝浓度梯度的Fe-Zn-Al化合物相层，得到热稳定性好、耐腐蚀性能优良的Fe-Zn-Al涂层，其具有热稳定性好、显微镜下无明显孔洞、裂纹、耐腐蚀性能优良，易生产加工、成本低廉等特点，从而解决铝与常规助镀剂反应而导致助镀效果减弱甚至镀不上的问题。

本发明采用的技术方案是：一种铁合金表面锌铝原位梯度涂层的制备方法包括以下步骤：

(1)将按照铁合金工件形状大小设计的刚玉坩埚内表面附着一层0.2mm厚的铝箔，并加热至450℃～550℃的范围内预热保温10min；

(2)将420℃纯锌液浇注到步骤(1)预热保温后的坩埚中；

(3)随后将铁合金工件浸入步骤(2)刚玉坩埚的锌熔液中，静置在450℃～550℃范围内进行扩散反应；

(4)控制步骤(3)的扩散时间在0.5h以上，确保外层铝原子在锌液中往基体方向扩散，从而在铁合金表面形成一层1.2mm厚的锌铝梯度涂层；

(5)扩散一定时间后，将步(3)具有锌铝原位梯度涂层的铁合金取出冷却，随后去除外层坩埚，得到铁合金表面锌铝原位梯度涂层。