基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備Ni-Cr-Al涂層的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備Ni-Cr-Al涂層的方法，在高溫H2還原氣氛下，納米Ni2O3被H2還原生成具有較高的活性的Ni原子。它們部分與納米Cr發(fā)生反應(yīng)在金屬表面生成新Ni-Cr-Al相，該涂層致密度和均勻性都很高，顯著提高了低碳鋼的耐腐蝕性能、硬度和耐磨性；而另一部分被還原出的Ni原子溶入基體中，增強(qiáng)了涂層與基體的結(jié)合力，從而對低碳鋼表面進(jìn)行了改性。既保證了材料具有低碳鋼的強(qiáng)度又保證材料具備了良好的耐腐蝕性能，這有效解決了低碳鋼在使用過程中因大量被腐蝕及不耐磨而導(dǎo)致材料失效的問題。
【專利說明】基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備N1-Cr-Al涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備N1-Cr-Al涂層的方法，屬于納米技術(shù)及金屬表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)是近年來發(fā)展起來的材料改性的新方法，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于納米材料的制備以及材料的改性。納米材料是晶粒細(xì)化至IOOnm的材料,納米材料的發(fā)現(xiàn)使材料性能發(fā)生了質(zhì)的飛躍；因此，納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展將對材料科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。納米材料的制備在當(dāng)前納米材料科學(xué)的研究占有極其重要的地位，新的制備工藝過程的開發(fā)與研究對納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。
[0003]大約在20世紀(jì)90年代就有人開始利用納米技術(shù)對金屬表面改性，然而當(dāng)時(shí)只是在其表面制備了一些Ti02、Al2O3等單一的涂層，并對它們的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。結(jié)果證實(shí)這些涂層具有良好的抗高溫、耐腐蝕的能力，但是仍然具有一定的局限性，主要表現(xiàn)在氧化物薄膜連續(xù)性和致密性不夠，以及熱穩(wěn)定性的不足。為了提高這些性能，人們就開始了多組分薄膜的制備，甚至在金屬表面利用粉末冶金技術(shù)進(jìn)行表面合金化。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)，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(jià)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。
[0004]金屬表面合金化就是利用各種手段在金屬表面生成一種成分、性能不同于基體金屬的合金層，使得材料的硬度、耐磨性、耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能得到提高，這是一種重要的提高金屬機(jī)械性能的方法。
[0005]基于前人的研究成果，本發(fā)明綜合了納米技術(shù)、金屬表面處理及表面合金化等熱點(diǎn)研究技術(shù)，通過機(jī)械研磨法和超聲處理等相結(jié)合的方法制備納米Ni2O3-Cr-Al粉體，在氬氣環(huán)境中將制得的納米粉體均勻地噴涂于處理好的低碳鋼表面，并在管式電阻爐中全H2氣氛下進(jìn)行熱處理。在高溫H2還原氣氛下，納米Ni2O3被H2還原生成具有較高活性的Ni原子。它們部分與納米Cr發(fā)生反應(yīng)在金屬表面生成新N1-Cr-Al相，即為合金化層。運(yùn)用納米技術(shù)得到的N1-Cr-Al涂層致密度和均勻性都很高，顯著提高了低碳鋼的耐腐蝕性能，并且一定程度的提高了表面的硬度和耐磨性；而另一部分被還原出的Ni原子溶入基體中，增強(qiáng)了涂層與基體的結(jié)合力，從而對低碳鋼表面進(jìn)行了改性，顯著的提高了表面的應(yīng)用性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]現(xiàn)有 技術(shù)制備的單一涂層或者兩相涂層由于其單一的性能或者表面涂層與基體結(jié)合力不強(qiáng)的問題，應(yīng)用受到了限制。比如N1-Cr合金具有良好的耐腐蝕性，但是涂層受到破壞，耐蝕性能降低。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備N1-Cr-Al涂層的方法，是一種納米粉末在該高溫H2氣氛下熱處理獲得結(jié)構(gòu)致密均勻、耐腐蝕性強(qiáng)并且能自修復(fù)的耐磨高硬度涂層的制備方法。既保證了材料具有低碳鋼的強(qiáng)度又保證材料具備了良好的耐腐蝕性能，這有效解決了低碳鋼在使用過程中因大量被腐蝕及不耐磨而導(dǎo)致材料失效的問題。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備N1-Cr-Al涂層的方法，具有以下的制備過程和步驟:
a.將低碳鋼板預(yù)處理的工作面經(jīng)金相砂紙打磨，然后用無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，干燥后備用；
b.納米粉體的制備:將市售Cr粉與分析純Al粉末、分析純Ni2O3粉末按一定摩爾比均勻混合后放入真空球磨罐中，加入一定量的無水乙醇控制一定的液固比，球磨罐內(nèi)采用氬氣保護(hù)，用高能球磨機(jī)球磨18小時(shí)；制備工藝參數(shù)如下:
Cr粉2~3g ；A1粉末I~2g ；Ni203粉末10~12g ;無水乙醇:粉體的質(zhì)量比為80:20 ；
球磨后將溶液真空干燥，得到納米Ni2O3-Cr-Al粉體；
c.在氬氣環(huán)境中將制得的納米Ni2O3-Cr-Al粉體均勻地噴涂于處理好的低碳鋼表面，自然干燥后，在管式電阻爐中全H2氣氛下進(jìn)行熱處理，其工藝參數(shù)如下:
熱處理溫度:900°C ^1300°C ；
升溫梯度:10°c /min ；
熱處理時(shí)間:2tT6h ；
升溫梯度:隨爐冷卻；
H2 氣流量:180mL/min。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備N1-Cr-Al涂層，在高溫H2還原氣氛下，納米Ni2O3被H2還原生成具有較高的活性的Ni原子。它們部分與納米Cr發(fā)生反應(yīng)在金屬表面生成新N1-Cr-Al相，該涂層致密度和均勻性都很高，顯著提高了低碳鋼的耐腐蝕性能、硬度和耐磨性；而另一部分被還原出的Ni原子溶入基體中，增強(qiáng)了涂層與基體的結(jié)合力，從而對低碳鋼表面進(jìn)行了改性。既保證了材料具有低碳鋼的強(qiáng)度又保證材料具備了良好的耐腐蝕性能，這有效解決了低碳鋼在使用過程中因大量被腐蝕及不耐磨而導(dǎo)致材料失效的問題。
【具體實(shí)施方式】
[0009]本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于下:
實(shí)施例1
取低碳鋼板IOX IOX 1.6mm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。
[0010]在無水乙醇介質(zhì)中，加入Cr粉2g;Ni203粉末IOg ;A1粉末lg，調(diào)整液固比為80:20，配料完成后裝入真空罐中，注入氬氣，在高能球磨機(jī)上球磨18h，制得納米Ni2O3-Cr-Al粉體。超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板工作表面，真空干燥，然后于管式電阻爐中全H2氣氛下進(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(shí)間為2h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。[0011]將表面獲得N1-Cr-Al涂層的低碳鋼進(jìn)行力學(xué)性能及耐蝕性測試。
[0012]實(shí)施例2
按照實(shí)施例1的方法制備冷軋低碳鋼板樣品。
[0013]在無水乙醇介質(zhì)中，加入Cr粉2g、Ni203粉末10g、Ni203粉末lg，調(diào)整液固比為80:20，配料完成后裝入真空罐中，注入氬氣，在高能球磨機(jī)上球磨18h，制得納米Ni2O3-Cr-Al粉體。超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板工作表面，真空干燥，然后于管式電阻爐中全H2氣氛下進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為:溫度為1300°C，升溫速率為10°C /min，保溫時(shí)間為2h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
[0014]將表面獲得N1-Cr-Al涂層的低碳鋼進(jìn)行力學(xué)性能及耐蝕性測試。
[0015]實(shí)施例3
按照實(shí)施例1的方法制備冷軋低碳鋼板樣品。
[0016]在無水乙醇介質(zhì)中，加入Cr粉2g、Ni203粉末12g、Ni203粉末2g，調(diào)整液固比為80:20，配料完成后裝入真空罐中，注入氬氣，在高能球磨機(jī)上球磨18h，制得納米Ni2O3-Cr-Al粉體。超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板工作表面，真空干燥，然后于管式電阻爐中全H2氣氛下進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為:溫度為1300°C，升溫速率為10°C /min，保溫時(shí)間為4h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
[0017]將表面獲得N1-Cr-Al涂層的低碳鋼進(jìn)行力學(xué)性能及耐蝕性測試。
[0018]實(shí)施例4 按照實(shí)施例1的方法制備冷軋低碳鋼板樣品。
[0019]在無水乙醇介質(zhì)中，加入Cr粉2g、Ni203粉末12g、Ni203粉末2g，調(diào)整液固比為80:20，配料完成后裝入真空罐中，注入氬氣，在高能球磨機(jī)上球磨18h，制得納米Ni2O3-Cr-Al粉體。超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板工作表面，真空干燥，然后于管式電阻爐中全H2氣氛下進(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(shí)間為6h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
[0020]將表面獲得N1-Cr-Al涂層的低碳鋼進(jìn)行力學(xué)性能及耐蝕性測試。
[0021]實(shí)施例5
按照實(shí)施例1的方法制備冷軋低碳鋼板樣品。
[0022]在無水乙醇介質(zhì)中，加入Cr粉2.2g、Ni2O3粉末11.5g、Ni2O3粉末1.5g，調(diào)整液固比為80:15,配料完成后裝入真空罐中，注入氬氣，在高能球磨機(jī)上球磨18h，制得納米Ni2O3-Cr-Al粉體。超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板工作表面，真空干燥，然后于管式電阻爐中全H2氣氛下進(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(shí)間為2h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
[0023]將表面獲得N1-Cr-Al涂層的低碳鋼進(jìn)行力學(xué)性能及耐蝕性測試。
[0024]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。
[0025]在無水乙醇介質(zhì)中，加入Cr粉2.2g、Ni2O3粉末11.5g、Ni2O3粉末1.5g，調(diào)整液固比為80:15,配料完成后裝入真空罐中，注入氬氣，在高能球磨機(jī)上球磨18h，制得納米Ni2O3-Cr-Al粉體。超聲分散IOmin后均勻噴涂到低碳鋼板工作表面，真空干燥，然后于管式電阻爐中全H2氣氛下進(jìn)行熱處理，其熱處理工藝參數(shù)為:溫度為1200°C，升溫速率為10°C /min，保溫時(shí)間為6h，降溫梯度為爐冷。H2氣流量為180mL/min。
將表面獲得N1-Cr-Al涂層的低碳鋼進(jìn)行力學(xué)性能及耐蝕性測試。
[0026]對涂層進(jìn)行電學(xué)性能測試，結(jié)果列于表1中。
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種基于納米技術(shù)在低碳鋼表面制備N1-Cr-Al涂層的方法，其特征在于，具有以下的制備過程和步驟: a.將低碳鋼板預(yù)處理的工作面經(jīng)金相砂紙打磨，然后用無水乙醇、丙酮和去離子水依次超聲清洗，干燥后備用； b.納米粉體的制備:將市售Cr粉與分析純Al粉末、分析純Ni2O3粉末按一定摩爾比均勻混合后放入真空球磨罐中，加入一定量的無水乙醇控制一定的液固比，球磨罐內(nèi)采用氬氣保護(hù)，用高能球磨機(jī)球磨18小時(shí)；制備工藝參數(shù)如下: Cr粉2~3g ；A1粉末I~2g ；Ni203粉末10~12g ;無水乙醇:粉體的質(zhì)量比為80:20 ； 球磨后將溶液真空干燥，得到納米Ni2O3-Cr-Al粉體； c.在氬氣環(huán)境中將制得的納米Ni2O3-Cr-Al粉體均勻地噴涂于處理好的低碳鋼表面，自然干燥后，在管式電阻爐中全H2氣氛下進(jìn)行熱處理，其工藝參數(shù)如下: 熱處理溫度:900°C ^1300°C ； 升溫梯 度:10°c /min ； 熱處理時(shí)間:2tT6h ； 升溫梯度:隨爐冷卻； H2 氣流量:180mL/min。
【文檔編號】B22F9/04GK103590032SQ201310554544
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】鐘慶東, 魯曉剛, 顧帥帥, 紀(jì)丹, 牟童 申請人:上海大學(xué)