[发明专利]一种表面覆铝的钢材、铁基工件及其覆铝方法

说明书

本发明涉及一种表面覆铝的钢材(铁基工件)及其覆铝方法。上述钢材指碳素钢、合金钢、铸钢、铸铁以及上述材质加工的工件。

本发明所属技术领域为金属的表面处理。

由于表面覆铝的钢材具有优良的耐蚀性和高温抗氧化性，因而在各个领域得到广泛的应用，并被称为高效钢材。而加工这种钢材通常采用热浸镀铝的工艺，其流程如下：

钢材、工件→净化(除油、除锈)→前处理→预热工件→热浸镀(熔融铝液中)→后处理→成品

上述工艺由于要将钢材(含碳素钢、合金钢、铸铁、铸钢、通常所说的铁及上述材质制成的工件。以下文中均与此相同)加热，并要在熔池中加热数量足够多的金属铝为熔融的液态，铝在高温中与空气极易氧化，又需在铝液表面敷一层隔离熔剂，隔离融剂在工件浸镀时又会污染成品，浸镀后又需使用大量化学药剂作后处理以清除污染。中国专利87104455。2号“稀土—铝合金热浸渗铝”88105152。0号“热浸镀铝用药品后处理剂”两篇公知文献大致概括了本领域的基本方法。

采用上述方法需耗用大量的热能，同时需耗用大量的化学药剂对工件进行前、后处理，其废气、废液均要污染环境。同时当工件浸入铝液中后，部分铁元素分子会溶入铝液中，降低熔池中铝的纯度，改变铝膜料的成分配比。文献表明，通常熔池中的铝液含有大约2％左右的铁元素，这均将降低工件表面覆铝金属膜的纯度，影响成品的抗蚀能力，并且过量的Fe元素溶入铝液中，将使整池的铝液报废。大量的耗能、耗材及治理污染的费用，使得热浸镀铝钢材价格昂贵。目前工业发达国家生产的热浸镀铝钢材的价格远远超过不锈钢，从而使得上述钢材的使用推广受到较大的阻力。

本发明提供一种节省能源、极少污染环境、减少原料消耗、加工费用低的钢材覆铝新工艺，并且采用此工艺加工的覆铝钢材的覆层与热浸镀铝钢材的覆层在结构上有显著区别。

本发明采用的方法是将钢材(工件)做除油、除锈净化处理，再使用去离子水或纯水清洗，然后迅速对工件进行鼓风干燥，将工件置于真空镀膜设备(例如已公知的真空蒸镀、真空溅射镀膜、真空离子镀膜……设备)的真空室中，在工件表面镀一层纯铝(其它元素含量不大于2％的铝、通常采用工业纯铝)金属膜，使Al元素在钢材表面上每平方米的附着量为Q_M＝50～250G/M²，再进一步使Fe元素与Al元素在其界面间相互扩散、渗透，形成一种铁—铝扩散层(Fe、Al固溶体)及铁—铝间化物(Fe₂Al₅)合金层，使铝金属膜的外表面迅速氧化，生成致密的氧化铝(Al₂O₃)层，从而使工件表面从里到外形成铁基材、铁—铝扩散层、铁—铝合金层、铝金属层、氧化铝层的渐化过渡结构。

上述使铝金属膜外表面氧化及铝、铁间的扩散渗透可以采用如下三种方法：(1)在自然环境中自行进行。(2)在含O₂气氛中加热工件。(3)真空镀铝工作结束后，在维持真空室内的真空环境下向真空室内充入氧气。现分述如下；

(1)使用真空镀膜设备镀铝后的工件，从真空室中取出后可以置于自然环境中，使铝金属膜的外表面氧化而生成氧化铝膜。同时在自然环境中铝、铁间元素继续进行扩散、渗透而最终达到平衡。

(2)将镀铝后的工件置于加热设备(电炉、燃气炉、燃煤炉、燃油炉、中频或高频电磁感应加热设备)中，在工件接触含O₂气氛的情况下加热工件到一定的温度(80～660℃)。加热会加速铝金属外表面的氧化及铝、铁元素间的扩散、渗透。

(3)在真空镀铝的最后，即纯铝料停止喷发，真空室仍然处于真空状态时，向真空室内缓慢充入氧气(大于10帕)，并保持一定时间(大于两分钟)，这将加速Al₂O₃的生成，并且氧化铝膜的杂质极少。对于使用真空溅射镀膜或真空离子镀膜设备进行真空镀铝的，在真空镀铝的最后，即纯铝料停止喷发，真空室内仍然处于真空状态时，向真空室内充入O₂气至10^-1～10¹帕，然后再次使真空室内产生辉光放电，并使纯铝料再次溅射镀膜，这也将在已镀好的纯铝膜上迅速覆盖一层Al₂O₃膜，并且氧化铝膜的杂质极少。