低温渗铬涂层及其制备方法和应用的制作方法

低温渗铬涂层及其制备方法和应用的制作方法

低温渗铬涂层及其制备方法和应用的制作方法专利名称:低温渗铬涂层及其制备方法和应用的制作方法技术领域:本创造涉及涂层制备技术,详细地说是一种低温渗铬涂层及其制备方法和应用。

背景技术:用固体粉末法渗铬的基本原理是将工件埋入配制好的渗剂中,在氩气气氛中和肯定温度下,保温肯定时间,通过反应,使铬渗入工件表层。

由于在高温氧化性腐蚀环境下,热生长的23具有爱护性能,因此通常在铁基、镍基等金属上进展渗铬涂层,以期在高温氧化时能形成23爱护性氧化膜。

但是,目前应用固体粉末法渗铬的温度通常在1000℃以上,这样高的温度严峻影响基材的组织结构和综合性能,例如晶粒粗化,强度和塑性变差。

此外,这种工艺的高能耗也大大限制其进展,所以降低渗铬温度具有非常重要的工业应用价值。

创造内容针对上述不足,本创造的目的是供应一种低温下制备渗铬涂层的方法及其应用,采纳本创造渗铬涂层可以在700℃~800℃下生长23爱护性氧化膜,其工艺简洁,可以降低渗铬温度。

本创造的技术方案如下一种低温渗铬涂层,其成分为共电沉积层中的和稀土氧化物,以及渗入的铬元素,其中可以为、、;涂层各元素的含量,按质量份数计,渗铬涂层中表面层铬的含量为50~90份,稀土氧化物4~8份,其余为。

其制备方法是以金属、、、碳钢或低合金钢为基材,首先,利用电镀技术,实现与稀土氧化物的共电沉积,制备出纳米晶复合镀层,即-复合涂层=、或,此镀层作为前驱体,其中推举选择与基体材料的主要组成元素全都,以避开或降低在高温服役环境下引起的渗铬涂层与基体的互集中。

复合电镀的镀液为硫酸盐体系4,共电沉积过程中通过多孔板以150上下搅拌使稀土氧化物颗粒悬浮在镀液中,匀称沉积在试样表面;镀液温度为25~35℃,电流密度为1~32,~2小时,镀层中的稀土氧化物含量为4~8质量份数。

其次,固体粉末法渗铬,按质量份数计,渗剂配方为45~50份铬粉100~200目,50~45份23粉100~200目,4-6份4。

工艺为升温到600℃~800℃,保温5小时,随炉冷却,整个渗铬过程中以400~500的速度通入氩气,以防氧化。

本创造基本原理如下电镀制备的复合镀层为纳米晶组织,其中丰富的晶界为的集中供应了快速集中通道,增加了在低温下的集中力量,所以使渗铬温度由传统的1000℃以上降低为600℃~800℃。

本创造制备的稀土氧化物改性的渗铬涂层,其中在700~800℃下,确保热生长连续的爱护性23氧化膜。

同时,涂层中由于掺入稀土氧化物,它能提高其抗高温氧化性能。

渗铬过程可以被分为四个步骤,其中最慢的,受温度影响最大的步骤就是沉积在表面的原子通过固相集中向里渗入的过程,所以为了增加在低温下的固相集中力量,通过预先复合电镀,在基材表面获得纳米晶的复合镀层,其丰富的晶界可以大大增加的集中力量。

所获得的纳米晶复合镀层为-,为、或,为稀土氧化物2、23或23,这种表层获得的无碳纳米晶组织,避开了碳与的结合而阻碍的向内集中,然后在600℃~800℃渗铬,同时也将稀土氧化物=、或加入到了渗铬涂层中形成了稀土氧化物改性的渗铬涂层。

该涂层可在700℃~800℃下热生长连续的、致密的爱护性23氧化膜。

此外,在前驱体上获得的涂层也避开了传统碳钢渗铬中一些有害相36、σ-的形成,这些有害相经常降低涂层的抗氧化力量。

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本创造采纳了二步法,预先获得的涂层为纳米晶组织,其丰富的晶界增加了渗铬过程中铬的集中,从而使温度降低,温度的降低减小了渗铬过程中对基体金属组织和性能的损伤。

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与现有技术中的23爱护性氧化膜相比,本创造的渗铬涂层中的含量以质量份数计达到50~90份。

该含量确保涂层在开头氧化时就生长爱护性23氧化膜,并且涂层中有足够的铬元素向外集中来维持23氧化膜的稳定生长。

添加稀土氧化物,可使氧化膜更致密,生长速度明显降低。

采纳本创造制备的渗铬涂层可在700℃~800℃下能够热生长连续的、致密的爱护性23氧化膜。

以本创造的一种2改性的渗铬涂层为例,与分别在一种粗晶表面直接渗铬以及在低碳钢上预先沉积单镀层后在相同条件下渗铬获得的两种渗铬涂层的氧化性能作比较,试验结果表明本创造2改性的渗铬涂层在700℃氧化40小时后,与没有添加稀土氧化物的涂层相比,氧化增重明显降低。

、成熟,成本低。

本创造采纳固体粉末法渗铬,温度的降低节省了能耗,而且渗剂可重复利用,成本较低,且操作简洁,对工件外形的要求很低,因此,应用范围很广。

图1-为粗晶的形貌。

图1-为单镍镀层的明场像。

图1-为本创造-稀土氧化物复合镀层的明场像。

图2-为现有技术中粗晶700℃渗铬涂层上一个实施例的截面组织。

图2-为现有技术中单镍镀层700℃渗铬涂层上一个实施例的截面组织。

图2-为本创造-稀土氧化物复合镀层700℃渗铬涂层上的截面组织。

图3为本创造一个实施例在700℃渗铬后的铬元素在涂层中的含量分布。

图4为在700℃下粗晶渗铬、单镍镀层上渗铬层及本创造-2复合镀层上渗铬层在700℃氧化40小时的重量变化曲线。

图5为在700℃下粗晶渗铬、单镍镀层上渗铬层及本创造-2复合镀层上渗铬层在700℃氧化40小时后的表面相分析的光衍射结果。

图6-为现有技术中一个实施例粗700℃渗铬涂层在700℃氧化40小时后的表面形貌。

图6-为现有技术中一个实施例的单镍镀层上的700℃渗铬涂层在700℃氧化40小时后的表面形貌。

图6-为本创造一个实施例的-2复合镀层上获得的2改性的700℃渗铬涂层在700℃氧化40小时后的表面形貌。

图7-为现有技术中一个实施例的粗700℃渗铬涂层在700℃氧化40小时后的截面形貌。

图7-为现有技术中一个实施例的单镍镀层上700℃渗铬涂层在700℃氧化40小时后的截面形貌。

图7-为本创造一个实施例的-2复合镀层上获得的2改性的700℃渗铬涂层在700℃氧化40小时后的截面形貌。

图8为本创造-稀土氧化物复合镀层600℃渗铬涂层上的截面组织。

图9为在600℃下粗晶渗铬、单镍镀层上渗铬层及本创造-2复合镀层上渗铬层在800℃氧化10小时的重量变化曲线。

详细实施例方式下面结合附图和实施例详述本创造。

实施例本实施例以在低碳钢上先-2复合电镀,然后集中渗铬制备2改性的渗铬涂层为例稀土氧化物改性的渗铬涂层的成分表面层铬含量为50-90份,其成分从表面到内部为渐渐削减的分布变化状态。

氧化物2为4-8份,余量为、或,来自复合镀层;其制备方法是采纳复合电镀技术制备-稀土氧化物复合涂层。

为、或,一般选与基体材料主要组元相同的元素。

基体材料为抗氧化性能较差的、、、碳钢、合金钢,常用的硫酸盐体系4镀液。

本实施例选用低温中性硫酸盐镀液,制备-2复合镀层,然后在其上渗铬,分别制备2改性的渗铬涂层。

其流程如下基材金属碳钢—表面打磨至800#水砂纸—表面超声清洗—在含2的镀镍槽液中进行复合电镀—获得-2纳米晶复合镀层—渗铬—获得2改性的渗铬涂层。

本创造的关键是电镀时保持2颗粒悬浮在槽液中,电镀时掌握工艺和渡液成分保证获得纳米晶,渗铬时掌握配方及工艺。

本实施例采纳传统的复合电镀设施及固体粉末法渗铬设施来制备。

详细如下1取碳钢为基材,加工成15102尺寸的试样,经水磨砂纸磨至800#砂纸,在***中超声清洗;2选用的纳米尺寸的2粉,纳米尺寸为5~50纳米。

颗粒先浸泡在十二烷基硫酸钠溶液中,以便颗粒分散,避开团聚;3电镀液采纳低温型镀液,成分如下472150,415,3315,;配置的溶液经过充分搅拌后过滤,放置24小时;~;4共电沉积过程采纳板泵式装置搅拌镀液,以保证镀液中稀土氧化物颗粒悬浮在镀液中,匀称沉积在试样表面;镀液温度为30℃,电流密度为12,搅拌速度为150。

电镀时间为2小时,试样平均镀层厚度为30μ,2复合量为4~8份质量份数;5然后渗铬。

渗铬剂的配方为按质量份数计50份铬粉200目,45份23粉200目,5份4试剂尺寸。

工艺为随炉升温到700℃和600℃保温5小时,随炉冷却,整个渗铬过程中以400速度通入氩气;6试样取出后在蒸馏水中煮20分钟。

渗铬前的晶粒度从图1-看出,粗的晶粒尺寸平均为20μ,从图1-、1-看出单镍镀层和-稀土氧化物复合镀层均为纳米晶。

700℃渗铬后的截面组织渗铬后的截面组织如图2-、2-、2-,从图2-中看出,粗渗层看上去不太明显,厚度大约是5μ。

从图2-中,可以看出单镍镀层上的渗铬层厚度约10μ。

在图2-中,-2复合镀层上的渗铬层厚度约20μ。

对于图2-、图2-来说,渗铬层厚度的明显差异是由于复合镀层的纳米晶结构增加了的集中力量。

而对于图2-、图2-来说,-2复合镀层上的渗铬层厚度的增加是由于2粒子在渗铬过程中延迟了纳米晶粒的长大,从而增加了的集中力量。

从形貌上来看,-2复合镀层上的渗铬层有孔洞,这是由于2粒子在晶界处团聚,这些位置在腐刻时较快,形成孔洞图1-。

图3为粗渗铬、单镍镀层上渗铬、-稀土氧化物复合镀层上渗铬后铬沿截面上的浓度分布,可以看出添加了2的渗层的铬含量高于单镍镀层上和粗上的铬含量,且深度增加。

700℃渗铬涂层在700℃的抗氧化性能氧化试验在试验室环境下进行,氧化温度为700℃,氧化40小时。

氧化后三种试样均未剥落。

图4为氧化的重量变化曲线,其中添加2的涂层氧化增重最少,抗氧化性能最好。

图5为氧化后的分析,表明在单镍镀层上和复合镀层上均主要由23组成,而粗上主要由和24组成。

图6-、6-、6-为氧化后试样的表面形貌其中右边为左边部分区域的放大图。

粗渗铬涂层氧化后表面很不平整图6-,结果表明单镍镀层上氧化后大部分区域1为富氧化物,少部分区域2为富的氧化物。

相反的,单镍镀层和复合镀层上氧化后的表面较平整,对比高倍像,我们可以发觉2改性的渗铬层氧化后表面晶粒细小图6-,这结果说明2的存在对氧化膜的生长有明显影响。

三种涂层的氧化后的截面形貌如图7-、7-、7-所示其中右边为左边部分区域的放大图。

粗渗铬层氧化后的氧化层图7-很不匀称,有些位置很厚,有些位置很薄。

从图7-、7-可以看出在单镍镀层渗铬涂层上和在复合镀层渗铬层上已经形成了一层连续、致密的23爱护膜。

而且,-2复合镀层上的氧化层更薄,不过,涂层中有很多小坑,2颗粒处于小坑内,如前所述这是蚀刻后留下的腐蚀坑。

600℃渗铬后的截面组织600℃渗铬后的截面组织如图8所示,对比700℃渗铬后的截面组织,由于温度的降低,渗铬层的厚度有所降低。

而在此温度下,单镀层与粗渗铬后渗层厚度几乎为零,只是在表面沉积了一层浓度约为30%重量的原子。

600℃渗铬涂层在800℃的抗氧化性能氧化试验在试验室环境下进行,氧化温度为800℃,氧化时间为10小时。

图9为氧化的重量变化曲线,可以看出本创造即添加2的涂层氧化增重最少,抗氧化性能最好。

本创造的2改性的渗铬涂层,可作为抗高温氧化或腐蚀的防护涂层,用于800℃及800℃以下抗氧化性能较差的铁素体或奥氏体钢材,以及金属、、等的抗氧化或腐蚀的涂层。

并且,该改性涂层可望用与燃煤锅炉、气化炉、垃圾焚烧炉内相关部件环境温度在800℃以下的用碳钢和低合金钢制造的管道例如水冷壁管、蒸发管、换热管等的防护涂层。

,其特征在于其成分由渗入的铬和来自复合镀层金属及稀土氧化物组成,其中为、或,稀土氧化物为2、23或23;按质量份数计,渗铬涂层中表面层铬含量为50~90份,稀土氧化物4~8份,其余为。

,其特征在于涂层的制备分为先后两个步骤1以金属、或,碳钢或低合金钢为基材,在基材上预先用共电沉积的方法通过加入稀土氧化物制备-纳米晶复合镀层,此镀层作为前驱体;2然后用固体粉末包埋法在-纳米晶复合镀层上渗铬,制得稀土氧化物改性的渗铬涂层。

,其特征在于所述步骤1的-复合镀层中,为、或,为稀土氧化物2、23或23;按质量份数计,稀土氧化物4~8份,其余为。

,其特征在于所述步骤1共电沉积过程中通过搅拌使稀土氧化物颗粒悬浮在镀液中,匀称沉积在试样表面;镀液温度为25~35℃,电流密度为1~32,~2小时。

,其特征在于所述步骤2在-复合镀层上渗铬后获得稀土氧化物改性的渗铬涂层,按质量份数计,表面层含量50~90份,稀土氧化物含量为4~8份。

,其特征在于按