[发明专利]一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，在不添加铁离子的情况下，以浓硫酸处理钢片表面形成铁的氧化膜，将带有氧化膜的钢片置于含有硝酸铝、沉淀剂、十六烷基三甲基溴化铵的水热反应容器中水热合成氢氧化物复合膜，通过热处理得到复合氧化物膜。在700℃和900℃铝液腐蚀6.5h后，显示带有复合膜的样品耐铝液腐蚀性能是钢基体耐蚀性能的4～5倍。该方法制备耐铝液腐蚀复合膜具有制备工艺简单，提高耐铝液腐蚀性能显著，在铝合金加工、铝合金相变储能领域有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于液态金属腐蚀防护的技术领域，尤其涉及一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法。

背景技术

随着科技的发展，铝及铝合金制品的应用越来越广泛，铝制品加工生产过程中铝液腐蚀失效随之而来，成为涉及液态铝行业不可回避的问题。据分析统计发现，铝液腐蚀现象普遍出现在铝及铝合金铸造过程中使用的铸造模具，传输铝液的管道，铝熔炼和铸造过程中检测铝液温度的热电偶保护套，热浸镀铝行业铁基坩埚和传送辊，铝-硅合金相变储能材料的储存容器等多个生产环节中，造成接触铝液的模具、容器、量具、储存设备等铁基零件和部件的腐蚀，造成维护成本上升，生产效率下降，铝制备质量下降等问题，严重制约涉及液态铝的相关行业发展，因此，提高铁基材料耐铝液腐蚀性能技术是当前的重要技术问题。

铁基材料的铝液腐蚀首先在固液界面处发生铝液和铁基体的润湿，进而形成铁和铝的金属间化合物Fe₂Al₅、FeAl₃不断消耗铁基体，Fe₂Al₅、FeAl₃会在相变应力和热应力作用下逐渐剥落溶解，造成铁基材料的失效。根据所含元素不同，界面润湿性能有所不同。如4043铝合金含有Si元素为表面活性元素，Si在界面富集降低固液界面能(界面活化能大约8KJ/Mol)并提高反应性。而6061铝合金中含Mg元素，使界面其活化能为86KJ/Mol，与铁基材料润湿性能低于4043铝合金。同时改变钢的元素构成也可以改变界面润湿性。因此目前提高铁基合金耐铝液腐蚀性能的方法有合金化、渗硼、陶瓷涂层等方法。合金化只能延缓腐蚀的进行，并不能从根本上解决铝液腐蚀的问题；渗硼处理具有良好的效果，但是工艺复杂，对制备温度要求高，在高温时由于扩散速度加快，硼流失严重，耐腐蚀性能不如低温下效果好；而陶瓷涂层能隔绝铝液与铁基材料的接触，但是陶瓷涂层的结合强度不高，由于涂层两侧材料的热膨胀系数、弹性模量等参数存在较大差异，在交变温度场热应力作用下容易开裂。提升耐蚀性的有效方法是隔绝固液界面直接接触，降低铝液与接触面的润湿性。含铝复合氧化膜与铝液的润湿性较差，在700～900℃时润湿角为151°～152°，可降低铁基金属表面在铝液中的润湿性，在铝液中腐蚀速率极小，具有提高耐铝液腐蚀的作用。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，以钢表面致密氧化膜为基底，经水热反应，在基底结晶生长得到致密、表面平整、与基体结合强度高的复合膜，工艺简单、环境友好。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种耐铝液腐蚀的钢表面复合膜的制备方法，在未添加Fe盐的情况下，通过浓硫酸浸泡预制钢表面氧化膜，将带有氧化膜的钢片置于含有硝酸铝、沉淀剂、十六烷基三甲基溴化铵溶液的水热反应容器中水热合成氢氧化物复合膜，再通过热处理在钢表面形成含有Fe、Al阳离子的致密复合膜，具体步骤包括：

S1、钢基体处理：先用15～30wt.％的酸溶液清洗钢片，然后用乙醇、丙酮冲洗钢片去除表面氧化膜和油脂；

S2、浓硫酸处理：将钢片置于浓硫酸中浸泡20～120分钟，用乙醇或丙酮清洗干净，干燥处理；

S3、配置反应溶液：20～40mmol的硝酸铝、20～80mmol沉淀剂、0.05～0.15g十六烷基三甲基溴化铵、配制成40～60ml的水溶液，搅拌至均匀溶解；