專利名稱：基于納米技術(shù)在低碳鋼板表面制備硼鐵合金化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在低碳鋼表面作硼鐵合金化涂層的改性處理方法，屬于金屬表面熱處理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
納米技術(shù)是近年來發(fā)展起來的材料改性的新方法，已廣泛應(yīng)用于納米材料的制備以及金屬表面改性。大約在20世紀(jì)90年代就有人開始在合金表面制備TiO2、Al2O3和SW2 涂層，并對它們的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究，被證實(shí)具有良好的抗高溫、耐腐蝕的能力。但單一組分或雙組分的氧化物涂層具有一定的局限性，為了更好的提高涂層的性能，人們開始嘗試制備多組分氧化物涂層，這樣會是薄膜更連續(xù)和致密，提高材料的耐腐蝕性和熱穩(wěn)定性。納米科學(xué)是20世紀(jì)80年代末誕生并正在迅猛發(fā)展的前沿性、交叉性的高科技新興學(xué)科領(lǐng)域。納米尺寸的金屬顆粒由于具有小尺寸效應(yīng)、量子尺子效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊的性質(zhì)，因而具有不同于相應(yīng)塊體材料的光學(xué)、電磁學(xué)及化學(xué)性能，與常規(guī)材料相比，它在材料科學(xué)、信息科學(xué)、催化及生命科學(xué)等領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)越性，在實(shí)際應(yīng)用和理論上都具有極大的研究價值。此外，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，納米粉體及納米薄膜的制備、研究及應(yīng)用也越來越廣泛。金屬表面合金化是在外界條件下表面生成鈍化膜或者是獲得與基體具有冶金結(jié)合的各種特殊的化合物層，使得材料的硬度、耐磨性、耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能提高， 這是一種重要的提高金屬機(jī)械性能的方法。其中，一種很重要的表面合金化處理方法就是金屬表面硼合金化。因為，硼化物層具有硬度高O^e2B為U90-1680HV，F(xiàn)eB為1890-2340HV)、耐蝕性、耐磨性好，抗高溫氧化性及紅硬性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。但由于目前滲硼處理的溫度較高，滲硼處理后零件的變形較大以及滲層較薄、滲層脆性較大等原因，限制了滲硼技術(shù)的推廣應(yīng)用，為此國內(nèi)外的專家學(xué)者在此方面做了大量的探索研究，如采取滲硼后獲得單相的!^e2B或滲硼后進(jìn)行真空擴(kuò)散而得到單相!^e2B滲硼的共晶化處理及共滲與復(fù)合滲等工藝來降低滲硼層的脆性，目前的研究方向主要是降低滲硼溫度，多元復(fù)合滲硼改善滲層顯微組織、顯微硬度、脆性和耐磨性，以及滲硼共晶化使?jié)B層與基體呈冶金結(jié)合，從而改善以往的滲硼層脆性大，容易剝落等問題?；谇叭说难芯砍晒景l(fā)明綜合了金屬涂層的表面處理技術(shù)、納米制備方法及鋼板表面合金化等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。先通過機(jī)械研磨法和超聲處理等技術(shù)相結(jié)合制備納米涂料，在低碳鋼表面噴涂富硼納米涂料，并在H2還原氣氛下涂層中納米!^e2O3被還原生成新生態(tài)的狗原子，其具有較高的活性，不斷攻擊FeB使之在金屬表面生成!^e2B相。Fe2B硬度高， 韌性好，與基板膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。一部分還原出的金屬狗原子溶入基體中，增強(qiáng)了硼合金化層與基體的結(jié)合力，均勻性也得到大幅度提高，從而對低碳鋼表面進(jìn)行了改性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了表面納米硼鐵涂層合金化(B-Fe)結(jié)構(gòu)的制備方法，它不僅有效地增強(qiáng)了低碳鋼板的耐腐蝕性能，表面顯微硬度等性能，而且還有效地解決了傳統(tǒng)滲硼中存在的問題。本發(fā)明一種在低碳鋼板表面納米硼鐵合金化涂層處理方法，其特征在于具有以下的過程和步驟
(1)將欲處理的低碳鋼板經(jīng)無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，干燥后備用；
(2)納米硼鐵涂料的制備
采用機(jī)械球磨法，將市售FeB粉與分析純!^e2O3按一定摩爾比均勻混合后放入球磨罐中，加入一定量的KOH控制一定的液固比，球磨數(shù)小時。制備工藝參數(shù)如下 FeB :Fe203= 1: (1 4)(摩爾比); FeB/Fe203 :EtOH= 15:80 (質(zhì)量比)； 球磨時間=2(T30h ；最終制得納米硼鐵涂料； (3)將上述制得的納米硼鐵涂料均勻地噴涂于處理好的低碳鋼表面，自然干燥后，在管式電阻爐中氫氣氛圍下進(jìn)行熱處理，其工藝參數(shù)如下 溫度:700^1000°C ； 升溫梯度:10°C /min ； 熱處理時間2、h ； 降溫梯度爐冷； H2 氣流量為15(T200mL/min。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于它不同于以往的金屬表面熱處理方法，本發(fā)明是基于納米技術(shù)，在金屬表面制備出富硼合金層，在氫氣還原氣氛下，！^e2O3被還原產(chǎn)生新生態(tài)的狗原子具有較高的活性，不斷攻擊FeB使之在金屬表面生成!^e2B相。！^e2B硬度高，韌性好，與基板膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，而FeB相是我們不希望得到的，雖然他的硬度很高，但是脆性大，后續(xù)處理中極易碎裂。本發(fā)明方法進(jìn)行還原熱處理后，使得低碳鋼板表面獲得了均勻、附著力強(qiáng)的 !^e2B合金結(jié)構(gòu)，其硬度從99HV提升到1100HV。通過電化學(xué)測試，合金化后的樣品腐蝕電位正移，從-832. 6mv變?yōu)?788. 4，腐蝕電流密度也明顯降低，從開始的59. 388μΑ/οπι2降低到 8. 784PA/Cm2，耐蝕效率達(dá)到85. 2%.充分表明合金化后的樣品具有較高的硬度，耐蝕性良好。結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)，并提高低碳鋼板的各種機(jī)械性能以延長其服務(wù)壽命。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施敘述于下
實(shí)施例1 取低碳鋼板10X10X1. 6mm若干片，將其工作面用金相砂紙打磨，經(jīng)無水乙醇、丙酮和去離子水依次清洗數(shù)分鐘后，干燥，放置于干燥箱中備用。在無水乙醇介質(zhì)中，F(xiàn)eB和!^e2O3按摩爾比1:1，液固質(zhì)量比15:80配料完成后，在球磨機(jī)上球磨30h，制備納米硼鐵涂料。用之前超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板表面，自然干燥，然后于管式電阻爐中進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為溫度為700°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
將表面獲得硼鐵合金結(jié)構(gòu)的低碳鋼進(jìn)行斷裂強(qiáng)度，硬度，耐蝕性等測試。實(shí)施例2 按照實(shí)施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質(zhì)中，F(xiàn)eB和!^e2O3按摩爾比1:4，液固質(zhì)量比15:80配料完成后，在球磨機(jī)上球磨30h，制備納米硼鐵涂料。用之前超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板表面，自然干燥，然后在管式電阻爐中進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為溫度為700°C，升溫速率10°C /min，保溫時間為8h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結(jié)構(gòu)的低碳鋼進(jìn)行斷裂強(qiáng)度，硬度，耐蝕性等測試。實(shí)施例3 按照實(shí)施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質(zhì)中，F(xiàn)eB和!^e2O3按摩爾比1:1，液固質(zhì)量比15:80配料完成后，在球磨機(jī)上球磨30h，制備納米硼鐵涂料。用之前超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板表面，然后在管式電阻爐中進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為溫度為900°C，升溫速率10°C / min，保溫時間為2h，降溫梯度為爐冷。壓氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結(jié)構(gòu)的低碳鋼進(jìn)行斷裂強(qiáng)度，硬度，耐蝕性等測試。實(shí)施例4 按照實(shí)施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質(zhì)中，F(xiàn)eB和Fii2O3按摩爾比1 4，液固質(zhì)量比固定在15 80配料完成后，在球磨機(jī)上球磨30h，制備納米硼鐵涂料。用之前超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板表面，自然干燥，然后在管式電阻爐中進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為溫度為900°C， 升溫速率為10°C /min，保溫時間為8h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結(jié)構(gòu)的低碳鋼進(jìn)行斷裂強(qiáng)度，硬度，耐蝕性等測試。實(shí)施例5 按照實(shí)施例1的方法處理冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質(zhì)中，F(xiàn)eB和!^e2O3按摩爾比1:1，液固質(zhì)量比固定在15:80配料完成后，在球磨機(jī)上球磨30h，制備納米硼鐵涂料。使用之前超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板表面，自然干燥，然后在管式電阻爐中進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為溫度為 1000°C，升溫速率為10°C /min，保溫時間為2h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。將表面獲得硼鐵合金結(jié)構(gòu)的低碳鋼進(jìn)行斷裂強(qiáng)度，硬度，耐蝕性等測試。實(shí)施例6 按照實(shí)施例1的方法制備冷軋低碳鋼板樣品。在無水乙醇介質(zhì)中，F(xiàn)eB和!^e2O3按摩爾比1:4，液固比固定在15:80配料完成后， 在球磨機(jī)上球磨30h，制備納米硼鐵涂料。使用之前超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板表面，自然干燥，然后在管式電阻爐中進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為溫度為1000°C， 升溫速率為10°C /min，保溫時間為8h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
權(quán)利要求
1. 一種基于納米技術(shù)低碳鋼表面硼鐵合金化涂層處理方法，其特征在于具有以下的過程和步驟(1)將欲處理的低碳鋼板經(jīng)無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，干燥后備用；(2)納米硼鐵涂料的制備采用機(jī)械球磨法，將市售FeB粉與分析純!^e2O3按一定摩爾比均勻混合后放入球磨罐中，加入一定量的KOH控制一定的液固比，球磨數(shù)小時；制備工藝參數(shù)如下FeB :Fe203= 1: (1 4)(摩爾比);粉體EtOH= 15:80 (質(zhì)量比);球磨時間=2(T30h ；最終制得納米硼鐵涂料；(3)將上述制得的納米硼鐵涂料均勻地噴涂于處理好的低碳鋼表面，自然干燥后，在管式電阻爐中氫氣氛圍下進(jìn)行熱處理，其工藝參數(shù)如下溫度:700^1000°C ； 升溫梯度:10°C /min ； 熱處理時間2 8h ； 降溫梯度爐冷； 吐氣流量為150 200mL/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及在低碳鋼表面硼鐵合金化涂層處理方法，綜合了金屬涂層的表面處理技術(shù)、納米制備方法及鋼板表面合金化等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。先通過機(jī)械研磨法和超聲處理等技術(shù)相結(jié)合制備納米涂料，在低碳鋼表面噴涂富硼納米涂料。H2還原氣氛下，涂層中納米Fe2O3被還原生成新生態(tài)的Fe原子，其具有較高的活性，不斷攻擊FeB使之在金屬表面生成Fe2B相。Fe2B具有硬度高，韌性好，耐蝕性高，與基板膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。另一部分被還原出的金屬Fe原子溶入基體中，增強(qiáng)了硼合金化層與基體的結(jié)合力，均勻性也得到大幅度提高，從而對低碳鋼表面進(jìn)行了改性。本發(fā)明方法有效地提高了低碳鋼的耐腐蝕性能，表面顯微硬度，斷裂強(qiáng)度等性能，而且還有效地解決了傳統(tǒng)滲硼中存在的高溫，熱處理時間長等問題。
文檔編號C23C12/02GK102321862SQ20111025426
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者張磊, 朱振宇, 羅檢, 蔣繼波, 鐘慶東 申請人:上海大學(xué)