專利名稱：一種在鋼鐵表面制備合金涂層的方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬表面化學熱處理的方法，具體地說涉及一種在鋼鐵表面制備合金涂層的方法。
背景技術：
鈮屬VB族難熔金屬，具有高的熔點和高溫強度。耐蝕性好，密度與鋼相似，具有較好的延展性，能承受一定量的機械變形。金屬鈮不僅有良好的力學性能，而且物理化學性質穩定，它是制備涂層的優良金屬。鋁的活性很高，容易與氧結合在基體表面形成致密的氧化鋁陶瓷層，阻擋氧的擴散，它是重要的涂層材料。硅化物涂層具有良好的熱穩定性，使用溫度可達1600°C，其表面形成的SiA能有效阻止氧向基體內部擴散，而且SiA玻璃在高溫下有流動性，使涂層具有自愈能力，并能承受-定的變形。在涂層添加稀土元素后，能改善滲層表面氧化膜的密合性和塑性，比較各種金屬或涂層的特點，在鋼鐵上滲鈮、硅、鋁、稀土是鋼鐵材料表面強化處理方法之一，可使鋼鐵表面獲得理想的綜合性能。《金屬熱處理》2001年第沈卷第9期膏劑法滲鈮工藝的試驗研究-遼寧工學院材料與化學工程系劉秉余等。探討了膏劑法在GCrl5鋼滲鈮的可行性。滲劑涂層15%鈮粉，硼砂(Na2B407 · 10H20)，催滲劑為10%冰晶石(Na3AlF6)，用醇酸清漆將滲劑調成料漿涂覆在試樣表面上，厚度達到Imm左右。保護層30% ！^粉、70% Al2O3，以硅溶膠為粘結劑包覆到滲劑涂層外。烘干后裝罐入爐。罐內的填料為氧化鋁、型砂(主要成分為二氧化硅)、碳化硅等。緩慢升溫至50(TC保溫3h。將罐密封后，升溫至100(TC保溫4h。滲層厚度16-18 μ m，耐磨性比基體提高了 3. 5倍，是滲硼的1. 7倍。該工藝可實現鈮、硅共滲，但不涉及鋁、稀土的共滲。由于滲劑采用純鈮粉，價格昂貴、成本高。《粉末冶金技術》2001年第19卷第2期料漿法制備鈮合金和鉬合金高溫抗氧化涂層-賈中華。把金屬(合金)的料漿均勻涂復于鉬電極、鈮合金表面，在惰性氣體或真空中使料漿熔化，通過液體-固體擴散形成涂層。以提高溫抗氧化性能和抗熱震性能。涂層材料為硅化物(Si-Cr-Ti、Si-Cr-Fe) 300目合金粉，按配方配制合金粉料，加入適量的清漆和乙酸乙酯制成料漿，用噴漆槍將料漿噴涂在試樣和工件上，烘干后放入真空爐中進行1350-1500°C高溫燒結，形成銀灰色的涂層，厚度為90-140 μ m。該工藝可實現Si-Cr-Ti共滲，但不涉及鈮、鋁、稀土的共滲。正在申請中的專利200910066270. 1要求保護一種在鋼鐵表面滲制鋁鉬稀土涂層的方法，該方法中共滲劑由MoO3 2. 5% 15%;A1 17% ;FeAl M% 66%;氧化稀土 0. 5% 8% ；NH4Cl 0. 5% 1. 5%組成(百分比均為重量百分比，以共滲劑總重量計)。封閉劑由Al 17% 35%;FeAl 56% 77% ；氧化稀土 2% 8% ;NH4C10. 6% 2%組成。各組分均為粉末狀，粒度均在80目以上。所得涂層共滲層厚度為0.1% 0. 5mm，共滲層表面鋁含量為23% 35重量％，鉬含量為2% 8重量％，稀土含量0. 3% 0. 8% (主要為La、Nd元素)。該發明不涉及鈮和硅的共滲，且熱處理方式也有所不同。中國專利871013 “具有保護料漿和中頻感應加熱的滲鋁方法和設備”在普通滲劑料漿涂層的外部再涂以獨特的保護料漿，然后進入中頻感應爐進行滲鋁，其特征是，所述保護料漿的組成為(重量％):粘結劑10% 30%，填料40% 70%，稀釋劑20% 40%，粘結劑為水解硅酸乙酯，或聚合物型粘接劑、紙張廢液，稀釋劑是水或醇類，填料是各種礦物巖粉、玻璃粉、唐瓷粉、氧化鋁或粘土。該方法中的保護料漿存在易龜裂、剝落等問題，經常出現滲層漏滲現象，所以一直沒有得到很好的實際應用和發展。該技術也不涉及鈮、硅、鋁和稀土共滲。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種可以在鋼鐵表面制備鈮、硅、鋁、稀土共滲合金涂層的方法，該方法可大幅度地提高爐管和構件的質量及使用壽命，降低工件成本。本發明提供的在鋼鐵表面制備合金涂層的方法包括下述順序的步驟(1)將共滲劑、粘結劑和水按適當比例混合，制成料漿，將料漿涂敷于鋼鐵工件表面，按預定的烘干工藝烘干，形成具有一定厚度的料漿涂層；(2)將上述烘干的具有料漿涂層的工件放入滲箱內，再用滲箱蓋密封；(3)將封好的裝有工件的滲箱放入加熱爐內，按預定的加熱工藝加熱至950°C 1050°C，保溫4 6小時，出爐后空冷降至室溫； 其中，所述共滲劑由下述組分組成Nb2O53% 20%Al10% 30%FeAl35. 5% 51%SiO210% 30%氧化稀土 6%NH4Cl0.5% 3%; 上述百分比均為重量百分比，以共滲劑總重量計，將上述各組分按比例混合即得 本發明的共滲劑，共滲劑各組分均為粉末狀，粒度均在80目以上；所述氧化稀土主要由氧化鑭、氧化鐠、氧化釹、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧化釔及氧化鈣、氫氧化鈉、三氧化二鐵、氧化硅等組成。所述粘結劑主要成分為聚乙烯醇，商品名稱為上文合成膠水，由江蘇興達文具有限公司生產。所述滲箱主要由滲箱蓋、箱體組成，滲箱蓋上設有ー個進氣閥和ー個排氣閥。所述料漿涂層的厚度為0.9mm 2. 5mm;作為進ー步優選的方案，共滲劑各組分的含量進ー步優選為Nb2O58% 16%Al18% 25%FeAl40% 50%SiO2 20%氧化稀土2. 5% 4%;NH4Cl0.5% 1.2%;在加熱、保溫、降溫的過程中向滲箱內通入保護性氣體，保護性氣體通過滲箱蓋的進氣閥通入箱體，使滲箱內的共滲氣氛能保持較高的濃度，以保證滲劑和滲件不被氧化，保證產品的質量。滲箱內氣體可以通過滲箱蓋的排氣閥排出，以調節滲箱內氣體壓力。所述保護性氣體可以是氮氣、氬氣或氨分解氣。涂敷料漿層的工件可以直接擺放在滲箱內，也可以擺放在專用支架上再放入滲箱內。利用本發明提供的方法可以實現鈮、硅、鋁、稀土共滲，得到具有良好的耐腐蝕性、熱穩定性的光滑致密涂層，共滲層厚度為0. 1 0. 5mm，共滲層表面鈮含量為2% 8%(Wt)，硅含量6% 15% (Wt)，鋁含量為 20% 25% (Wt)，稀土含量0. 3% 0.8% (Wt)(主要為La、Ce元素)。該方法所用共滲劑配方可以根據需要做適當調整。


下面結合附圖對本發明作進一步闡述。圖1本發明所用滲箱的結構示意圖，圖2為本發明的工件支架示意圖。圖1中1、進氣管2、進氣閥3、排氣閥4、滲箱蓋5、固定螺栓6、螺母7、密封墊8、滲箱法蘭9、過濾室10、滲箱體11、裝好工件的支架；圖2中12、工件安裝板13、安裝連接桿14、工件
具體實施例方式本發明采用的金屬工件材質為20號碳鋼、lCr5Mo鋼，一為公稱直徑89mm，壁厚3mm，長度3000mm的圓管；二為公稱直徑127mm，壁厚10mm，長度4000mm的圓管。本發明采用的支架與圓管的形狀相適應，如圖2所示，工件14穿過支架的工件安裝板12上的孔架于支架上，安裝連接桿13對支架起固定作用。當然，工件也可以是其它形狀，支架也可以是與工件形狀相適應的其它結構。下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但這些實施例并不限制本發明的范圍。實施例中的百分數均為重量百分數，以共滲劑總重量計。實施例1配制本發明的共滲劑，其中的重量％以共滲劑的總重量為基準計。將3% Nb2O5,30% Al、10% Si02、6%氧化稀土、50. 5% FeAl和0. 5% NH4Cl進行充分混合，將混合好的共滲劑與粘結劑聚乙烯醇和水充分混合攪拌，調制成料漿；將料漿以Imm的厚度涂敷在金屬工件表面，再將工件置入干燥爐中，在80°C溫度下干燥60min，將干燥后的金屬工件架于圖2所示的支架上，然后將裝好工件的支架11放入滲箱體10內，見圖1，用固定螺栓5、螺母6和密封墊7，通過滲箱法蘭8將滲箱蓋4安裝在滲箱體10上，然后將滲箱放入加熱爐內，按以下的程序進行共滲熱處理以10°C /min的升溫速度從室溫升溫至450°C，保溫0. 5h ；再以8°C /min的升溫速度從450°C升溫至960°C，保溫Mi后隨爐空冷至室溫，得到鈮、硅、鋁、稀土共滲工件。在上述共滲熱處理過程中，向滲箱內通入氨分解氣，氨分解氣通過進氣閥2和進氣管1進入滲箱內部，箱內的多余氣體經過濾室9和排氣閥3排出，以調節滲箱內壓力。實施例2共滲劑、料漿的配制過程及工件的涂敷、干燥和裝箱過程及共滲熱處理過程中通入保護性氣體的過程同實施例1。共滲劑的組成為6% Nb2O5>28% A1U5% Si02、4%氧化稀土、46. 4% FeAl、和0.6% NH4Cl,料漿涂層厚度為1.5mm。共滲熱處理工藝為以10°C /min的升溫速度從室溫升溫至450°C，保溫0. 5h，再以8°C /min的升溫速度從450°C升溫至985°C，保溫5h后隨爐空冷至室溫，得到鈮、硅、鋁、稀土共滲工件和試樣。實施例3共滲劑、料漿的配制過程及工件的涂敷、干燥和裝箱過程及共滲熱處理過程中通入保護性氣體的過程同實施例1。共滲劑的組成為10% Nb2O5^20% Al,20% Si02、3%氧化稀土、46. 2% !^Al和0.8% NH4Cl,料漿涂層厚度為1. 8_。共滲熱處理工藝為以10°C /min的升溫速度從室溫升溫至450°C，保溫0.釙。再以8°C /min的升溫速度從450°C升溫至1010°C，保溫4h后隨爐空冷至室溫，得到共滲鈮、硅、鋁、稀土工件和試樣。實施例4共滲劑、料漿的配制過程及工件的涂敷、干燥和裝箱過程及共滲熱處理過程中通入保護性氣體的過程同實施例1。共滲劑的組成為15 % Nb2O5,15 % Al、25 % Si02、2 %氧化稀土、42% FeAl和NH4Cl,料漿涂層厚度為2. 0mm。共滲熱處理工藝為以10°C /min的升溫速度從室溫升溫至450°C，保溫0. 5h。再以8°C /min的升溫速度從450°C升溫至1020°C，保溫4h后隨爐空冷至室溫，得到鈮、硅、鋁、稀土共滲工件和試樣。實施例5共滲劑、料漿的配制過程及工件的涂敷、干燥和裝箱過程及共滲熱處理過程中通入保護性氣體的過程同實施例1。共滲劑的組成為20% Nb2O5^ 13% Al,30% Si02、0. 8%氧化稀土、35% FeAl和0. 8% NH4Cl,料漿涂層厚度為2. 5mm。共滲熱處理工藝為以10°C /min的升溫速度從室溫升溫至450°C，保溫0.釙。再以8°C /min的升溫速度從450°C升溫至1050°C，保溫4h后隨爐空冷至室溫，得到鈮、硅、鋁、稀土共滲工件和試樣。
權利要求
1.一種在鋼鐵表面制備合金涂層的方法，其特征在于包括下述順序的步驟(1)將共滲劑、粘結劑和水按適當比例混合，制成料漿，將料漿涂敷于鋼鐵工件表面，按預定的烘干工藝烘干，形成具有一定厚度的料漿涂層；(2)將上述烘干的具有料漿涂層的工件放入滲箱內，再用滲箱蓋密封；(3)將封好的裝有工件的滲箱放入加熱爐內，按預定的加熱工藝加熱至950°C 1050°C，保溫4 6小時，出爐后空冷降至室溫；其中，所述共滲劑由下述組分組成Nb2O53% 20%Al10% 30%FeAl35. 5% 51%SiO210% 30%氧化稀土 6%NH4Cl0.5% 3%上述百分比均為重量百分比，以共滲劑總重量計；所述氧化稀土主要由氧化鑭、氧化鐠、氧化釹、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧化釔及氧化鈣、氫氧化鈉、三氧化二鐵、氧化硅組成；所述粘結劑主要成分為聚乙烯醇；所述滲箱主要由滲箱蓋、箱體組成，滲箱蓋上設有一個進氣閥和一個排氣閥。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，共滲劑各組分的含量為Nb2O58% 16% ；Al18% 25% ；FeAl40% 50%;SiO212% 20%;氧化稀土 2. 5% 4%;NH4Cl 0.5% 1.2%。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的料漿涂層的厚度為0.9mm 2. 5mmο
4.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的步驟C3)是在向滲箱內通入保護性氣體的條件下進行的。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述的保護性氣體為氮氣、氬氣或氨分解氣。
6.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的加熱工藝為以10°C/min的升溫速度從室溫升溫至450°C，保溫0. 5h ；再以8°C /min的升溫速度從450°C升溫至950°C 1050 O。
7.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述的加熱工藝為以10°C/min的升溫速度從室溫升溫至450°C，保溫0. 5h ；再以8°C /min的升溫速度從450°C升溫至950°C 1050 O。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的烘干工藝為干燥溫度為80°C，干燥時間為60min。
9.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述的烘干工藝為干燥溫度為80°C，干燥時間為60min。
10.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述的烘干工藝為干燥溫度為80°C，干燥時間為60min。
11.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述的烘干工藝為干燥溫度為80°C，干燥時間為60min。
全文摘要
本發明提供了一種在鋼鐵表面制備合金涂層的方法先將共滲劑、粘結劑和水按適當比例混合，制成料漿，將料漿涂敷于鋼鐵工件表面，烘干，形成料漿涂層；然后將具有料漿涂層的工件放入滲箱內，再用滲箱蓋密封；最后將封好的裝有工件的滲箱放入加熱爐內，加熱至950℃～1050℃，保溫4～6小時，出爐后空冷降至室溫；其中，共滲劑組成為Nb2O5 3％～20％，Al 10％～30％，FeAl35.5％～51％，SiO2 10％～30％，氧化稀土1％～6％，NH4Cl 0.5％～3％；利用本發明可以在鋼鐵表面制備鈮、硅、鋁、稀土共滲合金涂層，大幅度地提高爐管和構件的質量及使用壽命，降低工件成本。
文檔編號C23C10/30GK102373401SQ20101026161
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月21日 優先權日2010年8月21日
發明者劉希武, 劉文亮, 呂大偉, 晁君瑞, 李選亭, 盛長松, 苗普, 趙小燕 申請人:中國石化集團洛陽石油化工工程公司, 中國石油化工股份有限公司