一种金属基体的表面防腐方法

摘要

本申请属于不锈钢表面防腐技术领域，具体涉及一种金属基体的表面防腐方法。本发明通过在等离子喷涂技术的基础上采用多元合金渗透技术，在不锈钢基体表面形成了锌钛合金共渗层，大大提高了Zn‑Ti‑Al2O3热喷涂涂层与基体表面的结合力；锌钛合金共渗层可以减缓因陶瓷涂层孔隙的存在而引起的腐蚀作用，提高了喷涂涂层的防腐能力。因此，通过上述技术方案制备得到的喷涂涂层和不锈钢基体表面的结合力强，不易剥落，提高了金属基体的抗高温氧化和耐蚀性能。

权利要求

1.一种金属基体的表面防腐方法，其特征在于，包括以下步骤：a)采用等离子喷涂技术对金属基体进行喷涂，使得所述金属基体的表面形成喷涂涂层；

b)将步骤a)得到的产物进行热处理，使其表面形成多元合金共渗层；

其中，不需喷涂过渡层，步骤a)中所述喷涂涂层的喷涂材料为锌粉、钛粉和氧化铝粉的混合物，所述金属基体为不锈钢基体；

步骤b)中所述热处理为烧结处理。

2.根据权利要求1所述的表面防腐方法，其特征在于，按重量份计，所述锌粉为20～50份，所述钛粉为30～40份，所述氧化铝粉为20～40份。

3.根据权利要求1所述的表面防腐方法，其特征在于，所述锌粉、钛粉和氧化铝粉的粒径为20～200nm。

4.根据权利要求1所述的表面防腐方法，其特征在于，步骤a)中所述喷涂的参数设定为：喷涂功率：28～30kW；

喷涂距离：100～150mm；

主气流量：100～150SCFH；

辅气流量：30～50SCFH；

送粉量：12～15g/min；

横向等离子枪移动速度：200～300mm/s。

5.根据权利要求4所述的表面防腐方法，其特征在于，所述喷涂涂层的厚度为50～150μm。

6.根据权利要求1所述的表面防腐方法，其特征在于，所述烧结的温度为400～900℃；

所述烧结的时间为2～4h。

7.根据权利要求1所述的表面防腐方法，其特征在于，步骤a)之前还包括：对所述金属基体的表面进行喷砂处理。

8.根据权利要求7所述的表面防腐方法，其特征在于，所述喷砂处理所采用的砂为20～

25目的刚玉砂。

9.根据权利要求7所述的表面防腐方法，其特征在于，所述喷砂处理的参数设定为：喷气机气源压力：0.5～0.9MPa；

喷砂机调节功率：2.5～4.5KW；

喷砂枪口与不锈钢基件表面的角度：40～60度；

喷砂枪口与不锈钢基件表面的距离：8～12cm。

说明书

一种金属基体的表面防腐方法

技术领域

[0001] 本发明属于不锈钢表面防腐技术领域，具体涉及一种金属基体的表面防腐方法。

背景技术

[0002] 不锈钢虽然在空气中通常具有较好的抗腐蚀能力，然而不锈钢并不是在任何工作条件下都具有良好的耐蚀性。在工程应用中，不锈钢所发生的局部腐蚀因其隐蔽性和突发性具有极大危害(Zhang Yong,et al.Relationship of the yttrium compounds with the alloying method in ods ferritic stainless steel.Journal of Rare Earths.1995.13(4):305-307)，应格外警惕。因此，对不锈钢表面防腐的研究与改进在这一领域具有重大意义。

[0003] 目前，不锈钢的防腐方法主要包括在不锈钢基体的表面涂油漆、镀锌或采用热喷涂技术喷涂涂层。其中，热喷涂技术的防腐效果较为突出，常用于金属基材的表面防腐。等离子喷涂技术是利用热源将金属或非金属粉末材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助压缩空气或焰流本身以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积形成功能涂层。现有技术中，采用等离子喷涂工艺制备的喷涂涂层常为陶瓷涂层，具有优异的耐磨性、抗氧化、耐腐蚀性等性能(Hermann R B.Application of plasma-sprayed ceramic coatings.Key Engineering Materials[J],1996,122-124；399-442)。然而陶瓷涂层与不锈钢的热膨胀系数差别较大，涂层与不锈钢基体表面的结合性较差，容易出现开裂导致喷涂涂层剥落。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属基体的表面防腐方法，应用于不锈钢表面防腐。通过等离子喷涂技术结合多元合金渗透技术，提高喷涂涂层与不锈钢基体表面的结合力，增强金属基体的抗高温氧化和耐蚀性能。

[0005] 本发明的具体技术方案如下：

[0006] 一种金属基体的表面防腐方法，包括以下步骤：

[0007] a)采用等离子喷涂技术对金属基体进行喷涂，使得所述金属基体的表面形成喷涂涂层；

[0008] b)将步骤a)得到的产物进行热处理，使其表面形成多元合金共渗层；

[0009] 所述金属基体为不锈钢基体。

[0010] 优选的，步骤a)中所述喷涂涂层的喷涂材料为锌粉、钛粉和氧化铝粉的混合物。

[0011] 更优选的，所述锌粉为20～50份，所述钛粉为30～40份，所述氧化铝粉为20～40份。

[0012] 更优选的，所述锌粉、钛粉和氧化铝粉的粒径为20～200nm。

[0013] 优选的，步骤a)中所述喷涂的参数设定为：

[0014] 喷涂功率：28～30kW；

[0015] 喷涂距离：100～150mm；

[0016] 主气流量：100～150SCFH；

[0017] 辅气流量：30～50SCFH；

[0018] 送粉量：12～15g/min；

[0019] 横向等离子枪移动速度：200～300mm/s。

[0020] 优选的，所述喷涂涂层的厚度为50～150μm。

[0021] 优选的，步骤b)中所述热处理为烧结处理；

[0022] 所述烧结的温度为400～900℃；

[0023] 所述烧结的时间为2～4h。

[0024] 优选的，步骤a)之前还包括：对所述金属基体的表面进行喷砂处理。

[0025] 优选的，所述喷砂处理所采用的砂为20～25目的刚玉砂。

[0026] 优选的，所述喷砂处理的参数设定为：

[0027] 喷气机气源压力：0.5～0.9MPa；

[0028] 喷砂机调节功率：2.5～4.5KW；

[0029] 喷砂枪口与不锈钢基件表面的角度：40～60度；

[0030] 喷砂枪口与不锈钢基件表面的距离：8～12cm。

[0031] 综上所述，本发明提供了一种金属基体的表面防腐方法，在等离子喷涂技术的基础上采用多元合金渗透技术，在不锈钢基体表面形成了锌钛合金共渗层，大大提高了Zn-Ti-Al2O3热喷涂涂层与基体表面的结合力；锌钛合金共渗层可以减缓因陶瓷涂层孔隙的存在而引起的腐蚀作用，提高了喷涂涂层的防腐能力。因此，通过上述技术方案制备得到的喷涂涂层和不锈钢基体表面的结合力强，不易剥落，提高了金属基体的抗高温氧化和耐蚀性能。

[0032] 与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

[0033] 1)本发明采用等离子体喷涂技术，增大金属基体的表面粗糙度，而且等离子喷涂可以使金属基体表面产生大量的非平衡缺陷(晶界、空位、位错)，有利于原子扩散，降低了之后热渗透处理工序的处理温度，有利于Ti/Zn共渗层的形成；

[0034] 2)相比传统的喷涂过渡层，本涂层不需要喷涂过渡层，可减少喷涂工序，并且提高金属/陶瓷复合涂层与基体的结合力，同时渗锌层可以减缓因陶瓷涂层孔隙的存在而引起的腐蚀作用；

[0035] 3)本发明采用等离子喷涂-多元合金渗透技术制备的Ti/Zn/Al2O3金属-陶瓷涂层，具有优异的耐磨性、耐蚀性和抗氧化等特性，涂层表面均匀、平整、致密，整体质量明显优于单一热喷涂工艺制备的涂层；

[0036] 4)防腐层稳定，寿命长，且无污染环保，有极大的工业应用前景。

附图说明

[0037] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0038] 图1为实施例5中不锈钢基体的防腐涂层的切面的扫描电镜照片，其中图1a为实验样品1的切面的扫描电镜照片，图1b为实验样品2的切面的扫描电镜照片，图1c为实验样品3的切面的扫描电镜照片，图1d为对照样品2的切面的扫描电镜照片；

[0039] 图2为实施例5中不锈钢基体的涂层的扫描电镜形貌图，其中图2a为实验样品1的涂层的扫描电镜形貌图，图2b为对照样品2的涂层的扫描电镜形貌图；

[0040] 图3为实施例5中实验样品2的防腐涂层的EDS成分分析图片。

具体实施方式

[0041] 为了解决现有技术中陶瓷涂层与不锈钢结合性较差，容易剥落的技术问题，本发明提供了一种金属基体的表面防腐方法，应用于不锈钢表面防腐。

[0042] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0043] 以下实施例中的不锈钢基体为304奥氏体不锈钢，其成分如下表1所示。

[0044] 表1

[0045]C Si Mn P S Ni Cr Fe
0.04 0.49 0.99 0.01 0.00072 8.20 17.66 余量

[0046] 实施例1

[0047] 1)对304不锈钢基体表面进行去污、喷砂和超声清洗预处理

[0048] 去污：304不锈钢基体用丙酮、盐酸和去离子水依次进行超声清洗5min，放在40℃烘箱中干燥30min。

[0049] 喷砂：将304不锈钢基体固定在支架台上，采用粒径20目刚玉砂进行喷砂处理。将喷气机气源压力调节为0.5MPa，喷砂机调节功率为2.5KW，喷砂枪口与不锈钢基体表面角度保持在40度，距离保持在8cm。

[0050] 清洗：将喷砂后的不锈钢基体用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗5min，超声完毕后置于40℃烘箱中干燥30min。

[0051] (2)喷涂材料的配制与处理

[0052] 称取锌粉20份、氧化铝陶瓷粉40份和钛粉40份，然后置于调速频率为25Hz的行星式球磨机中混合5min，接着将混合粉末放入60℃的恒温箱中，干燥30min。

[0053] (3)编写枪头运行程序，在不锈钢基体表面进行等离子喷涂

[0054] 编写枪头运行程序，等喷涂工艺参数设定为：喷涂距离100mm，送粉速度12g/min，喷涂功率28kW，横向等离子枪移动速度200mm/s，主气流量100SCFH，辅气流量30SCFH。然后进行喷涂，在304不锈钢基体表面得到的喷涂涂层厚度为60μm。

[0055] (4)采用多元合金渗透技术，在不锈钢基体表面形成多元合金共渗层[0056] 将步骤(3)的产物置于马弗炉中，在400℃下进行持续2h的烧结处理。

[0057] 实施例2

[0058] (1)对304不锈钢基体表面进行去污、喷砂和超声清洗预处理

[0059] 去污：304不锈钢基体用丙酮、盐酸和去离子水依次进行超声清洗8min，放在45℃烘箱中干燥40min。

[0060] 喷砂：将304不锈钢基体固定在支架台上，采用粒径22目刚玉砂进行喷砂处理。将喷气机气源调节为0.7Mpa，喷砂机调节功率为3.6KW，喷砂枪口与不锈钢基体表面角度保持在45度，距离保持在10cm。

[0061] 清洗：将喷砂后的基体用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗8min，超声完毕后置于45℃烘箱中干燥40min。

[0062] (2)喷涂材料的配制与处理

[0063] 称取锌粉33份、氧化铝陶瓷粉33份和钛粉34份，然后置于调速频率为27Hz的行星式球磨机中混合7min，接着将混合粉末放入62℃的恒温箱中，干燥35min。

[0064] (3)编写枪头运行程序，在不锈钢基体表面进行等离子喷涂

[0065] 编写枪头运行程序，等喷涂工艺参数为：喷涂距离110mm，送粉速度13g/min，喷涂功率28kW，横向等离子枪移动速度250mm/s，主气流量110SCFH，辅气流量35SCFH。然后进行喷涂，在304不锈钢基体表面得到的喷涂涂层厚度为70μm。

[0066] (4)采用多元合金渗透技术，在不锈钢基体表面形成多元合金共渗层[0067] 将步骤(3)的产物置于马弗炉中，在500℃下进行持续2h的烧结处理。

[0068] 实施例3

[0069] (1)304不锈钢基体表面进行去污、喷砂，和超声清洗预处理

[0070] 去污：304不锈钢基材用丙酮、盐酸和去离子水依次进行超声清洗12min，放在50℃烘箱中干燥45min。

[0071] 喷砂：将304不锈钢基材固定在支架台上，采用粒径23目刚玉砂进行喷砂处理。将喷气机气源压力调节为0.8MPa，喷砂机调节功率为4.0KW，喷砂枪口与不锈钢基件表面角度保持在50度，距离保持在11cm。

[0072] 清洗：将喷砂后的基材用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗12min，超声完毕后置于50℃烘箱中干燥45min。

[0073] (2)喷涂材料的配制与处理

[0074] 称取锌粉40份、氧化铝陶瓷粉40份和钛粉20份，然后置于调速频率为28Hz的行星式球磨机中混合8min，接着将混合粉末放入65℃的恒温箱中，干燥40min。

[0075] (3)编写枪头运行程序，在不锈钢基体表面进行等离子喷涂

[0076] 编写枪头运行程序，等喷涂工艺参数为：喷涂距离120mm，送粉速度14g/min，喷涂功率29kW，横向等离子枪移动速度260mm/s，主气流量120SCFH，辅气流量40SCFH。然后进行喷涂，在304不锈钢基体表面得到的喷涂涂层厚度为80μm。

[0077] (4)采用多元合金渗透技术，在不锈钢基体表面形成多元合金共渗层[0078] 将步骤(3)的产物置于马弗炉中，在700℃下进行持续2h的烧结处理。

[0079] 实施例4

[0080] (1)304不锈钢基体表面进行去污、喷砂，和超声清洗预处理

[0081] 去污：304不锈钢基材用丙酮、盐酸和去离子水依次进行超声清洗15min，放在60℃烘箱中干燥60min。

[0082] 喷砂：将304不锈钢基材固定在支架台上，采用粒径23目刚玉砂，将喷气机气源压力调节为0.8Mpa，喷砂机调节功率为4.0KW，喷砂枪口与不锈钢基件表面角度保持在50度，距离保持在11cm。

[0083] 清洗：将喷砂后的基材用丙酮、酒精、去离子水依次超声清洗15min，超声完毕后置于70℃烘箱中干燥60min。

[0084] (2)喷涂材料的配制与处理

[0085] 称取锌粉50份、氧化铝陶瓷粉20份和钛粉30份，然后置于调速频率为30Hz的行星式球磨机中混合10min，接着将混合粉末放入70℃的恒温箱中，干燥60min。

[0086] (3)编写枪头运行程序，在不锈钢基体表面进行等离子喷涂

[0087] 编写枪头运行程序，等喷涂工艺参数为：喷涂距离150mm，送粉速度15g/min，喷涂功率30kW，横向等离子枪移动速度300mm/s，主气流量150SCFH，辅气流量50SCFH。然后进行喷涂，在304不锈钢基体表面得到的喷涂涂层厚度为100μm。

[0088] (4)采用多元合金渗透技术，在不锈钢基体表面形成多元合金共渗层将步骤(3)的产物置于马弗炉中，在900℃下进行持续2h的烧结处理。

[0089] 实施例5

[0090] 以304不锈钢作为对照样品1，未经过上述步骤(4)多元合金渗透技术处理的半成品为对照样品2，实施例2得到的产品为实验样品1，实施例3得到的产品为实验样品2，实施例4得到的产品为实验样品3。

[0091] 取对照样品1、对照样品2和实施样品1，浸泡在3.5％wt％的NaCl水溶液中，测定其浸润0.5h后的开路电压。其开路电压依次为-0.23V、-0.13V和0.09V。说明采用本发明方法制备的防腐涂层对金属的防护效果有所提高。

[0092] 取对照样品2、实验样品1、实验样品2和实验样品3，经过强力超声2h，发现不锈钢基体表面的防腐涂层均为脱落，说明防腐涂层与基材的结合力均较好。

[0093] 取实验样品1、实验样品2、实验样品3和对照样品2，然后对其切面进行扫描电镜观察，其结果如图1所示。从图中结果可以看出，对照样品2和实验样品1的涂层厚度约在150μm，而实验样品2和实验样品3的涂层厚度降至40μm左右，因而500～700℃是保持涂层厚度且实现锌合金共渗的较佳热处理温度，500℃是最优的处理温度。

[0094] 图2为实验样品1和对照样品2的涂层的扫描电镜形貌图，从图中可以看出，实验样品1的涂层的致密性优于对照样品2，说明通过结合多元合金渗透技术处理可以改进热喷涂涂层的结构缺陷，使得防腐涂层更加致密，减少孔隙及空洞。

[0095] 图3为实验样品2的防腐涂层的EDS成分分析图片。