專利名稱：一種基于納米技術(shù)在鋁表面合金化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于納米技術(shù)在招表面合金化的方法，屬于金屬表面合金化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬表面合金化是通過擴散改變基體金屬表面層的成分和組織的材料保護技術(shù)。主要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械性能的方法。
在機械制造中主要應(yīng)用的是鋁、鉻、硅、釩、鋅等的表面合金化層或滲層。滲層是利用金屬鹵化物蒸汽與金屬表面層產(chǎn)生化學反應(yīng)形成的，或是在液相中發(fā)生化學反應(yīng)而形成的。對于鋁有多種滲層。最早的是在碳素鋼或低合金鋼基體上獲得含鋁約25%、層厚約125 1000微米的覆層。這種覆層具有在大氣或爐氣中長期抗800°C以內(nèi)的氧化的能力，用于生產(chǎn)空氣加熱器、加熱爐和蒸汽過熱器的構(gòu)件。鋁鐵合金需要在滲劑中加熱到1080°C，經(jīng)24小時而獲得25 150微米厚的覆層。滲前若先鍍擴散屏蔽層(如鉬)，便可以抑制或延緩基體與覆層中金屬元素間的相互擴散。近年來利用納米技術(shù)進行材料改性的新方法發(fā)展迅速，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90年代就有人開始在合金表面制備Ti02、Al203和SiO2涂層，并對它們的應(yīng)用進行了廣泛的研究，被證實具有良好的抗高溫、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。納米科學是20世紀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、電磁學及化學性能，與常規(guī)材料相比，它在材料科學、信息科學、催化及生命科學等領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)越性，在實際應(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。基于前人的研究成果，本發(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研究領(lǐng)域。本發(fā)明是通過機械研磨法和超聲處理等技術(shù)相結(jié)合制備納米級的鋁鐵粉，然后將其均勻噴涂覆蓋到鋁的表面，利用H2氣氛下高溫環(huán)境均勻的滲入鋁表面，使得表面鐵含量達到109Γ13%，從而達到通過簡單的工藝提高鋁表面硬度和耐蝕性的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于納米技術(shù)在鋁表面合金化的方法。本發(fā)明在鋁表面合金化的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟a.將普通冷軋鋁板的表面從粗到細進行打磨，然后進行機械拋光，經(jīng)無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，保證表面清潔無雜物。最后對鋁板進行時效處理，在io(Ti5(rc，保持5 15小時，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸；
b.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，球磨2(Γ30小時，將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到鋁的表面，覆蓋層厚度為20 μ πΓ75 μ m ;具體工藝參數(shù)如下；
Fe : Al = I: (4 8)(質(zhì)量比)；
乙醇粉體=5 I (質(zhì)量比)；
高能球磨機轉(zhuǎn)速=500r/min ；
球磨時間=20 30 h ; c.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在1(T20°C/min升溫至40(T800°C，保溫時間為2飛h，然后隨爐冷卻；最終得到鋁板表面的鋁鐵合金化膜層。本發(fā)明的優(yōu)點是工藝簡單易行。通過在鋼板表面涂覆納米級的鋁鐵粉，降低熱滲溫度，在氫氣分下，高活性鐵原子利用還原時候高溫環(huán)境均勻的滲入冷軋鋁板的表面；同時可以控制涂覆納米級鋁鐵粉厚度來達到控制表面鐵含量的目的，極大的提高鋁的表面硬度及其耐腐蝕性能。
具體實施例方式本發(fā)明的具體實施敘述于下
實施例I
I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°c，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為22 μ m。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至400°C，保溫時間為2h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例2
I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°C，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為47μπι。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至400°C，保溫時間為4h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例3I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°c，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為65μπι。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至400°C，保溫時間為6h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例4 I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°C，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為24 μ m。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至600°C，保溫時間為2h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例5
I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°C，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為45μπι。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至600°C，保溫時間為4h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例6
I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°C，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為68 μ m。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至600°C，保溫時間為6h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例7
I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°C，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為23 μ m。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至800°C，保溫時間為2h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例8
I.首先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°C，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。
2.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為44 μ m。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至800°C，保溫時間為4h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。實施例9
I.先將普通鋁表面打磨光滑，并在150°C，保持10小時進行時效處理，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸。2.用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定質(zhì)量比I :5混合均勻后放入球墨罐中，加入一定量的酒精，調(diào)整液固比為5:1，高能球磨機轉(zhuǎn)速為500r/min，球磨28小時。3.將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到純鋁表面，覆蓋層厚度為75 μ m。4.將覆蓋納米層的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)。在氫氣氣氛下升溫速率控制在15°C /min升溫至800°C，保溫時間為6h，隨爐冷卻。5.將處理后的鋁板進行維氏硬度測試并通過塔菲爾試驗測其腐蝕性能。各實施例所得樣品的測試結(jié)果見下表I。表I測得實施案例所有樣品的維氏硬度，以及塔菲爾的測試結(jié)果比較
權(quán)利要求
1.一種基于納米技術(shù)在鋁表面合金化的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟 a.將普通冷軋鋁板的表面從粗到細進行打磨，然后進行機械拋光，經(jīng)無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，保證表面清潔無雜物；最后對鋁板進行時效處理，在io(Ti5(rc，保持5 15小時，穩(wěn)定鋁板的組織和尺寸； b.采用機械球磨法，將工業(yè)純鐵和鋁粉按一定(質(zhì)量比)混合均勻后放入球墨罐中，力口入一定量的酒精，球磨2(Γ30小時，將球磨好的納米級鋁鐵粉涂覆到鋁板表面，覆蓋層厚度為20 μ πΓ75 μ m ;具體工藝參數(shù)如下 Fe : Al = I: (4 8)(質(zhì)量比)； 乙醇粉體=5 I (質(zhì)量比)； 高能球磨機轉(zhuǎn)速=500r/min ； 球磨時間=20 30 h ; c.將覆蓋納米鋁鐵粉的鋁板置于氫氣氣氛爐內(nèi)； 在氫氣氣氛下升溫速率控制在1(T20°C /min升溫至40(T800°C，保溫時間為2飛h，然后隨爐冷卻；最終得到鋁板表面的鋁鐵合金化膜層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于納米技術(shù)在鋁表面合金化的方法，屬于金屬表面合金化技術(shù)領(lǐng)域。通過球磨得到的納米級鋁鐵粉涂覆到鋁板表面，利用氫氣氛高溫環(huán)境下均勻的滲入鋁表面以達到合金化，使得表面鐵含量達到10%~13%；從而達到通過簡單的工藝提高鋁板表面硬度和耐腐蝕性能的目的。經(jīng)過測試，處理后的試樣在硬度和耐蝕方面均有大幅度提高。
文檔編號C23C10/30GK102864449SQ201210366648
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者鐘慶東, 劉慧娟, 周瓊宇, 郁利彬, 李珂 申請人:上海大學