[发明专利]一种基于纳米技术在低碳钢表面制备不锈钢涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于纳米技术在低碳钢表面制备不锈钢涂层的方法，属于纳米技术及金属表面处理技术领域。

背景技术

纳米技术是近年来发展起来的材料改性的新方法。自20世纪80年代提出纳米技术的概念，现已广泛应用于纳米材料的制备以及材料的改性。大约在20世纪90年代就有人开始利用纳米技术对金属表面改性，然而当时只是在其表面制备了一些TiO₂、Al₂O₃和SiO₂单一涂层，并对它们的应用进行了广泛的研究，结果被证实这些涂层具有良好的抗高温、耐腐蚀的能力，但是仍然具有一定的局限性，主要表现在氧化物薄膜连续性和致密性不够，材料的耐腐蚀性能也较差，且热稳定性不足。为了提高这些性能，人们就开始了多组分薄膜的制备，甚至在金属表面利用粉末冶金技术进行表面合金化。纳米科学是20世纪80年代末诞生并正在迅猛发展的前沿性、交叉性的高科技新兴学科领域。纳米尺寸的金属颗粒由于具有小尺寸效应、量子尺子效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特殊的性质，因而具有不同于相应块体材料的光学、电磁学及化学性能，与常规材料相比，它在材料科学、信息科学、催化及生命科学等领域具有无可比拟的优越性，在实际应用和理论上都具有极大的研究价值。此外，随着技术的不断发展，纳米粉体及纳米薄膜的制备、研究及应用也越来越广泛。

金属表面合金化就是利用各种手段在金属表面生成一种成分、性能不同于基体金属的合金层，使得材料的硬度、耐磨性、耐腐蚀性能和抗高温氧化性能提高，这是一种重要的提高金属机械性能的方法。

基于前人的研究成果，本发明综合了纳米制备方法、金属涂层的表面处理技术及钢板表面合金化等热点研究领域。通过机械研磨法和超声处理等技术相结合制备纳米Fe₂O₃-Cr-Ni₂O₃粉体，在氩气环境中将制得的纳米粉体均匀地喷涂于处理好的低碳钢表面，并在管式电阻炉中全H₂气氛下进行热处理。在高温H₂还原气氛下，纳米Fe₂O₃和纳米Ni₂O₃被H₂还原生成具有较高的活性的Fe原子和Ni原子。它们部分与纳米Cr发生反应在金属表面生成新Fe-Cr-Ni相，即为不锈钢涂层。运用纳米技术得到的不锈钢涂层致密度和均匀性都很高，显著提高了低碳钢的耐腐蚀性能，甚至优于一般的不锈钢；而另一部分被还原出的Fe原子、Ni原子溶入基体中，增强了不锈钢涂层与基体的结合力，从而对低碳钢表面进行了改性。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种基于纳米技术在低碳钢表面制备不锈钢涂层的方法，是一种纳米粉末在该高温H₂气氛下热处理获得结构致密均匀、耐腐蚀性强的不锈钢涂层的制备方法。既保证了材料具有低碳钢的强度又保证材料具备了不锈钢的耐腐蚀性能，这有效解决了低碳钢在使用过程中因大量被腐蚀而导致材料失效的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于纳米技术在低碳钢表面制备不锈钢涂层的方法，具有以下的制备过程和步骤：

a.将低碳钢板欲处理的工作面经金相砂纸打磨，然后用无水乙醇、丙酮和去离子水依次超声清洗，干燥后备用；

b.纳米粉体的制备：将市售Cr粉与分析纯Fe₂O₃粉末、分析纯Ni₂O₃粉末按一定摩尔比均匀混合后放入真空球磨罐中，加入一定量的无水乙醇控制一定的液固比，球磨罐内采用氩气保护，用高能球磨机球磨18小时；制备工艺参数如下：

Cr粉2~3g；Fe₂O₃粉末10~12g；Ni₂O₃粉末1~2g；乙醇：粉体的质量比为80：15；

球磨后将溶液真空干燥，得到纳米Fe₂O₃-Cr-Ni₂O₃粉体；

c.在氩气环境中将制得的纳米Fe₂O₃-Cr-Ni₂O₃粉体均匀地喷涂于处理好的低碳钢表面，自然干燥后，在管式电阻炉中全H₂气氛下进行热处理，其工艺参数如下：