阅读说明：本技术 一种粉末渗锌剂、防腐蚀金属件以及渗锌方法 (Powder zincizing agent, anti-corrosion metal part and zincizing method ) 是由 乐林江 沈伟 乐政 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种粉末渗锌剂、防腐蚀金属件以及渗锌方法。其中,所述粉末渗锌剂包括以下质量份数的组分：金属粉末20-100份,分散剂40-80份,分解剂0.2-5份,其中,所述金属粉末包括锌粉60-97份和镁粉3-40份。本申请提供的粉末渗锌剂,可以在渗锌的过程中实现镁的渗入,锌与镁能够形成高耐腐蚀的锌镁合金相,从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能。本申请提供的渗锌方法,操作简单,使用方便,成本低廉,经济效益高,适用范围广。(The application provides a powder zincizing agent, an anti-corrosion metal piece and a zincizing method. The powder zincizing agent comprises the following components in parts by mass: 20-100 parts of metal powder, 40-80 parts of dispersing agent and 0.2-5 parts of decomposing agent, wherein the metal powder comprises 60-97 parts of zinc powder and 3-40 parts of magnesium powder. The powder zincizing agent provided by the application can realize the infiltration of magnesium in the process of zincizing, and zinc and magnesium can form a high corrosion-resistant zinc-magnesium alloy phase, so that the corrosion resistance of a cementation layer can be greatly improved. The zinc impregnation method is simple to operate, convenient to use, low in cost, high in economic benefit and wide in application range.)

一种粉末渗锌剂、防腐蚀金属件以及渗锌方法

技术领域

本申请涉及金属材料表面化学热处理技术领域，特别涉及一种粉末渗锌剂、防腐蚀金属件以及渗锌方法。

背景技术

渗锌是使金属材料表面渗入锌的化学热处理工艺。对金属材料表面进行渗锌处理，能够显著提高其抗大气腐蚀的能力。其中，粉末渗锌因其具有无氢脆、结合强度高、耐腐蚀好等一系列优点，而被广泛应用于金属件表面防腐处理中。目前，全球铁路扣件、高强度紧固件等大多都采用粉末渗锌防腐处理方法进行表面防护。

但是，现有的粉末渗锌技术仍存在着耐腐蚀性能不高的问题。采用粉末渗锌剂对金属件进行粉末渗锌后会在金属件上形成渗层，采用目前市面上的粉末渗锌剂渗锌形成的渗层主要为锌铁合金相和锌相，锌的晶体结构为各向异性的密排六方结构，点阵常数由a和c表示。渗锌过程中，锌的生长具有取向性，会优先沿着c轴方向生长，锌的自扩散系数在平行c轴方向是在垂直c轴方向的近20倍。而由于各向异性的存在，生长过程中锌晶体之间的晶界为弱晶界结构，腐蚀过程中，这种弱晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是透明的，腐蚀性物质可以直接穿透锌的晶界进入钢铁基体，从而导致很快会在渗层表面出现红色锈斑，盐雾性能测试中，表面出现红锈的时间一般会被判定为耐盐雾腐蚀寿命。而普通渗层耐盐雾寿命往往只有几十小时，远远无法满足工程中盐雾寿命几百小时甚至上千小时的要求。这需要在粉末渗锌结束后进行表面封闭、涂敷达克罗等方法进行处理，以提前其整体耐腐蚀性能。然而表面封闭及达克罗等多为有机或无机涂料，在实际使用环境的风沙、冲蚀等条件下，封闭层又很容易被磨损掉，往往会发生过早腐蚀，引起金属件过早失效。

目前，现有技术提高渗锌层耐腐蚀性能主要靠添加铝、镍、稀土等方法来实现，而实际应用中这些方法对提高渗锌层耐腐蚀性能仍然有限，名称为“锌镍渗层黑色金属防腐工艺”的专利公开了一种锌镍渗层的组分及粉末渗工艺，其中镍粉含量0.5wt％—1.4wt％，但是在500℃以内进行粉末渗处理时，镍很难渗进去形成渗层，因此难以形成高耐腐蚀的渗层，其耐腐蚀性能与传统粉末渗锌基本相当，并没有达到提高渗层耐腐蚀性的效果。

镁的化学性质十分活泼，可以与O₂、N₂、H₂O等众多非金属物质反应，用量十分难以把握。由于镁的化学性质特殊，在现有技术中很少会将镁粉加入至粉末渗锌剂中，即使粉末渗锌剂中含有镁粉成分，其用量也极少，也并不依靠镁粉发挥主要作用，通常需要与多种其他成分配合使用。比如名称为“一种高活性、快渗速的粉末渗锌剂”的专利公开了一种高活性、快渗速的粉末渗锌剂，其中铝和镁加入目的是为了提高渗剂活性从而达到快渗速的目的，也没有达到提高渗层耐腐蚀性的效果。此外，现有粉末渗锌剂中加入的镁粉通常粒径均在10μm以下，镁粉在金属粉末中的含量往往小于5％。现有的粉末渗锌剂中加入镁粉的目的大多为通过镁粉的高温反应对金属件表面进行清洁，上述镁粉的粒径和含量已经足以达到其目的。但是，粒径小于10μm的镁粉虽然能够起到清洁表面的作用，却易发生***，安全性低，且在高温条件下还会反应形成气态化合物。此外，镁粉在金属粉末中的含量小于5％的情况下，其在高温条件下几乎全部与金属表面进行反应，而导致无法或极少进入到渗层中。

因此，镁是否能用于粉末渗锌剂、是否能在粉末渗锌剂中发挥积极作用、镁的加入是否能为粉末渗锌剂带来意想不到的效果是一直未被解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种粉末渗锌剂、防腐蚀金属件以及渗锌方法，以解决现有技术中存在的技术缺陷。

本申请提供一种粉末渗锌剂，所述粉末渗锌剂包括以下质量份数的组分：金属粉末20-100份，分散剂40-80份，分解剂0.2-5份，其中，所述金属粉末包括锌粉60-97份和镁粉3-40份。

优选地，所述金属粉末的质量份数为40-80份，更为优选地，所述金属粉末的质量份数为50-70份，比如55份、60份、65份等。

在金属粉末中，所述锌粉的质量份数优选为70-90份，更优选为75-85份，比如77份、80份、83份等，所述镁粉的质量份数优选为5-38份，更优选为10-35份，比如15份、20份、25份、30份等。

其中，在粉末渗锌剂对金属件进行渗锌的过程中，一定量的镁能够聚集在锌的弱晶界处，通过高温反应形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等具有高耐蚀性的锌镁合金相，促使弱晶界结构转变为对能够有效阻挡氯离子等腐蚀性物质的强晶界结构，从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能。

进一步地，所述镁粉为纯镁粉或镁合金粉。所述镁粉优选为纯度大于95％的纯镁粉或镁的重量比不小于40％的镁合金粉。

进一步地，所述分散剂为陶瓷粉末，其可以有效防止金属粉末发生粘结，所述分解剂为卤化氨，其可以分解提供氨和卤化氢气体，不仅能够清洁金属件表面，还可以活化其他组分，有助于渗锌的进行。

进一步地，所述陶瓷粉末包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅、碳化硅中的至少一种；所述分解剂为卤化氨，所述卤化氨包括氯化铵、氟化铵、碘化铵、溴化铵、氟化氢氨中的至少一种。

进一步地，所述粉末渗锌剂还包括能够促进镁渗入渗层的活性剂0.5-3份。

进一步地，所述活性剂为卤化镁。卤化镁能够促进镁与锌之间的相互作用，能够促进镁在锌晶界处的聚集，进一步地提高渗层的耐腐蚀性能。

进一步地，所述卤化镁包括氯化镁、氟化镁、碘化镁、溴化镁中的至少一种。

进一步地，所述镁粉的粒径为10μm-500μm，所述锌粉的粒径为1μm-200μm，所述分散剂的粒径为5μm-500μm。

进一步地，所述粉末渗锌剂还包括二氧化锰，所述二氧化锰的质量份数不大于所述分解剂的质量份数。二氧化锰能够在渗锌的过程中促进镁向渗层的扩散，进而促进更多的镁与锌反应形成高耐蚀的锌镁合金相，提高渗层耐腐蚀性能。

本申请还提供一种防腐蚀金属件，所述防腐蚀金属件的表面通过如上所述的粉末渗锌剂渗入锌与镁形成能够防止金属件腐蚀的渗层。

进一步地，所述渗层中镁的平均含量为0.5wt％-20wt％。在渗层中镁的含量位于此范围内的情况下，其抗腐蚀性能最强。若镁含量过低，镁会主要与含氧物质中的氧反应进而无法进入渗层中，若镁含量过高，会导致形成的镁合金偏多，由于镁合金不耐腐蚀进而导致渗层的耐腐蚀性能反而下降。

进一步地，所述渗层的厚度为5μm-200μm。

本申请还提供一种渗锌方法，包括：

S1、对待渗锌的金属件进行除油除锈处理，并将处理后的金属件与如上所述的粉末渗锌剂共同置于密闭渗罐中；

S2、驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门；

S3、对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至预设温度后保温1-10小时，完成渗锌。

进一步地，所述S2，包括：

对所述密闭渗罐进行抽真空处理，或向所述密闭渗罐中通入保护气氛驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门。

进一步地，所述S3，包括：

对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至360℃-415℃或320℃-480℃的情况下保温1-10小时，完成渗锌。

本申请提供的粉末渗锌剂，包括金属粉末、分散剂和分解剂，其中，金属粉末包括锌粉和镁粉，由于锌存在各向异性，在生长过程中锌晶体之间的晶界为弱晶界结构，这种弱晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是透明的，腐蚀性物质能够直接穿过这些弱晶界结构进行腐蚀，而镁能够聚集在锌的弱晶界结构处，通过高温反应形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等具有高耐蚀性的锌镁合金相，促使弱晶界结构转变为对能够有效阻挡氯离子等腐蚀性物质的强晶界结构，从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能。

在本申请提供的粉末渗锌剂中，镁粉的质量份数为3-40份，如此能够保证渗层中的镁的平均含量在0.5wt％-20wt％之间，以保证能够最大限度的提高渗层的耐腐蚀性能。经过大量实验证明，在渗层中的镁含量小于0.5wt％，即镁粉的质量份数小于3份的情况下，镁主要与含氧物质中的氧发生反应，无法进入渗层中，在渗层中的镁含量大于20wt％，即镁粉的质量份数大于40份的情况下，渗层中镁含量会偏高，导致形成的镁合金相偏多，由于镁合金自身是极不耐腐蚀的，故渗层的耐腐蚀性能反而明显下降。与普通渗层相比，含有0.5wt％—20wt％镁的渗层其耐中性盐雾寿命可以提高数十倍，具有极高的工程应用价值和应用前景。

此外，本申请提供的粉末渗锌剂中还可以包括活性剂，该活性剂优选为卤化镁，卤化镁能够促进镁与锌之间的相互作用，能够促进镁在锌晶界处的聚集，进一步地提高渗层的耐腐蚀性能。

本申请提供的防腐蚀金属件，其表面通过上述粉末渗锌剂渗入锌与镁形成能够防止金属件腐蚀的渗层，镁与锌相互作用形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等具有高耐蚀性的锌镁合金相，为金属件构建起坚实的保护屏障，阻挡氯离子等腐蚀性物质对金属件的侵蚀，有效提高金属件的耐腐蚀性能，延长金属件的使用寿命，成本低，易于推广使用。

本申请提供的渗锌方法，通过驱赶所述密闭渗罐中的空气，可以有效避免粉末渗锌剂中的镁与空气反应，通过对所述密闭渗罐进行升温处理，不仅可以进一步驱赶密闭渗罐中的空气，同时还创造了完成金属件渗锌的适宜环境条件，升温至预设温度后保温1-10小时，完成渗锌，渗锌效果好，渗层质量高。本申请提供的渗锌方法，操作简单，使用方便，成本低廉，经济效益高，适用范围广。

附图说明

图1是本申请一实施例的钢铁表面平均镁含量5wt％的含镁渗锌层成分分布图；

图2是三种不同镁含量渗层的X射线衍射(XRD)相结构对比图；

图3是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀不同时间的表面状态图；

图4是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀0小时断面状态图；

图5是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀1000小时断面状态图；

图6是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀2000小时断面状态图；

图7是本申请一实施例的含镁渗锌层盐雾腐蚀4000小时断面状态图；

图8是本申请一实施例的平均镁含量为43％的渗层表面图；

图9是本申请一实施例的平均镁含量为43％的渗层断面形貌图；

图10是本申请一实施例的普通渗锌层表面腐蚀产物放大图；

图11是本申请一实施例的防腐蚀金属件的含镁渗锌层表面腐蚀产物放大图；

图12是本申请一实施例的金属件盐雾试验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式进行描述。

在本发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。并且，本文中所用的试剂、材料和操作步骤均为相应领域内广泛使用的试剂、材料和常规步骤。

实施例1

本实施例提供一种粉末渗锌剂，所述粉末渗锌剂包括以下质量份数的组分：金属粉末20-100份，分散剂40-80份，分解剂0.2-5份，其中，所述金属粉末包括锌粉60-97份和镁粉3-40份。

一方面，锌的原子半径为0.1332纳米，镁的原子半价为0.1598纳米，二者原子半径差值小于15％，同时镁与锌均为密排六方结构，所以二者可以共同作用形成渗层。虽然镁自身不耐腐蚀，但是其在锌的晶体结构中，能够占据部分锌原子的位置，特别是在晶界处，一定量的镁能够聚集在锌的弱晶界处，并通过高温反应形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等合金相自身为高耐蚀相，在晶界处形成可以促使原来的弱晶界结构变为强晶界结构，特别是这些强晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是不透明的，可以将这些腐蚀性物质阻挡在外面。同时，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相在腐蚀过程中，腐蚀产物由普通粉末渗锌的疏松组织转变为致密组织，从而极大提高了金属件的耐腐蚀性能，极大延长了金属件的使用寿命。

另一方面，粉末渗锌剂中镁粉的质量份数为3-40份可以保证在渗层能溶入0.5wt％—20wt％的镁，进而促使形成高耐蚀的MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等高耐蚀合金相，从而极大提高了金属件的耐腐蚀寿命。由于镁自身极为活泼，一般情况下镁总会优先与含氧物质中的氧反应，比如空气中的氧、铁氧化物中的氧、锌氧化物中的氧等，一旦镁表面形成一定含量的氧化物后，镁很难再扩散进入金属体内。

大量实验数据表明，与普通粉末渗锌剂形成的渗层相比，含有0.5wt％—20wt％镁的渗层其耐中性盐雾寿命可以提高数十倍，具有极高的工程应用价值和应用前景。

参见图1，图1为钢铁表面平均镁含量5wt％的含镁渗锌层成分分布图，从图中可以看出，在0-4μm处镁的平均含量为19％，在4-8μm处镁的平均含量为4.2％，在8-12μm处镁的平均含量为3.5％，在12-16μm处镁的平均含量为2％，即渗层从内向外镁含量逐渐增加。这是由于首先发生锌向钢铁件表面的扩散，与铁形成锌铁合金层，然后是镁向锌中的扩散，越向外，锌含量越高铁含量越少，对应的镁含量随着锌含量的增加而增加，该渗层耐盐雾寿命能够达到4000小时。

参见图2，图2为三种不同镁含量渗层的X射线衍射(XRD)相结构对比图，可以看出不论渗层中镁的含量为1wt％、5wt％还是8wt％，其均具有MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等高耐蚀锌镁合金相。

我们对平均含镁5wt％的钢铁件渗层的盐雾寿命进行了分析，检测依据为GB/T10125—2012，结果参见图3，图3是盐雾100小时、2000小时和4000小时后的钢铁件表面状态图，可以看出，在盐雾100小时和2000小时的情况下，钢铁件表面均未出现红锈，在盐雾4000小时的情况下，钢铁件表面才出现红锈。

参见图4-图7，图4-图7分别是盐雾0小时、100小时、2000小时、4000小时钢铁件的断面状态图，可以看出，随着时间的推移，渗层的厚度逐渐减小，在盐雾4000小时的情况下，钢铁件出现腐蚀，可见在粉末渗锌剂中加入适量镁，可以极大的提高渗层的耐中性盐雾寿命。

若镁含量过低，其会主要与含氧物质中的氧反应进而无法进入渗层中。因为镁无法与金属(比如铁)直接反应，因此反应的初始阶段只会发生锌向金属件的扩散，当渗层中锌的浓度达到一定程度时镁才会向锌中扩散，从而形成含镁的渗锌层。尤其是当粉末渗锌剂中镁的含量小于2wt％时，由于反应初期镁不会直接渗入金属件中，此时镁通过与金属件表面氧化膜、锌表面氧化膜发生反应来提高反应活性。当渗层中锌含量达到镁能够渗入条件时，这时由于镁的含量太少，已经几乎被初期的反应消耗殆尽，无法提供足够多的活性镁原子，进而无法渗入到渗层中。若镁含量过高，会导致形成的镁合金偏多，由于镁合金不耐腐蚀进而导致渗层的耐腐蚀性能反而下降，并且，由于镁的活性极强，镁含量过高易引起***，安全性低。

参见图8和图9，图8是平均镁含量为32％的渗层表面图，图9是平均镁含量为32％的渗层断面形貌图。从表面看，渗层表面生成了大量的疏松组织，其主要为镁合金组织。从断面看，镁含量过高，渗层发生了开裂现象，腐蚀性介质直接通过裂纹进入到基体。所以，若镁含量过高，渗层的耐腐蚀性能反而下降。

此外，镁粉可以为纯度大于95％的纯镁粉，也可以为镁的重量比不小于40％的镁合金粉，以提供足够的镁原子渗入渗层。

在本实施例中，金属粉末的质量份数可以为20份、25份、30份、35份、40份、45份、50份、55份、60份、65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份、100份等，优选为40-80份，更优选为50-70份，在该金属粉末中锌粉的质量份数可以为60份、65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份等，优选为70-90份，更优选为75-85份，锌粉的粒径优选为1μm-200μm，可以为1μm、10μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm等，镁粉的质量份数可以为3份、5份、10份、15份、20份、25份、30份、35份、40份等，优选为8-38份，更优选为10-35份，镁粉的粒径优选为10μm-500μm，可以为1μm、10μm、30μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等，均可视具体情况而定，本申请对此不做限制。需要说明的是，若镁粉的粒径小于10μm，则镁粉极易发生***，安全性极低，若镁粉的粒径大于500μm，则其活性和渗速会快速下降，所以，本实施例对镁粉的粒径并不是随意限定的，只有在其粒径处于10μm-500μm的范围内，其效果发挥才是最为稳定的。

具体地，分散剂优选为陶瓷粉末，陶瓷粉末包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅、碳化硅中的至少一种。在本实施例提供的粉末渗锌剂中加入陶瓷粉末，可以有效防止金属粉末发生粘结。

在本实施例中，分散剂的粒径优选为5μm-500μm，具体可以为5μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm、500μm等，分散剂的质量份数可以为40份、45份、50份、55份、60份、65份、70份、75份、80份等，可视具体情况而定，本申请对此不做限制。

具体地，分解剂优选为卤化氨，所述卤化氨包括氯化铵、氟化铵、碘化铵、溴化铵、氟化氢氨中的至少一种，优选为氯化铵。在粉末渗锌的温度条件下，卤化氨可以分解提供氨和卤化氢气体，一则能够起到清洁金属件表面的作用，再则卤化氢能够起到活化其他组分的作用，促进渗锌的进行。其中，分解剂的质量份数可以为0.2份、0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份、3.5份、4份、4.5份、5份等。

总而言之，本实施例提供的粉末渗锌剂，包括金属粉末、分散剂和分解剂，其中，金属粉末包括锌粉和镁粉，如此可以在渗锌的过程中实现镁的渗入，锌与镁能够形成高耐腐蚀的锌镁合金相，从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供一种粉末渗锌剂，该粉末渗锌剂还包括能够促进镁渗入渗层的活性剂0.5-3份，比如0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份等，本申请对此不做限制。

具体地，活性剂优选为卤化镁，卤化镁包括氯化镁、氟化镁、碘化镁、溴化镁中的至少一种。

由于在粉末渗锌过程中，卤化镁始终为固态，可以充分的与钢铁件表面及渗层接触反应，有助于从而更易实现镁的渗入，进而加入卤化镁作为活化剂，能够促使镁能快速有效的渗入渗层中，能够促进镁与锌之间的相互作用，能够促进镁在锌晶界处的聚集，进而有效提高渗层的耐腐蚀性能。虽然氯化铵、氟化铵等卤化氨同样具有活化催渗的作用，但其对于镁的活化催渗作用并不强烈。以氯化铵为例，氯化铵受热分解生成氨和氯化氢气体，镁与气态的氯化氢反应生成的活性镁原子大多数都不会附着在渗层表面与渗层反应。

总而言之，本实施例提供的粉末渗锌剂，包括金属粉末、分散剂、分解剂和活化剂，其中，金属粉末包括锌粉和镁粉，如此可以在渗锌的过程中实现镁的渗入，锌与镁能够形成高耐腐蚀的锌镁合金相，从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能，活化剂的加入可以进一步促使镁粉向渗层的渗入，进而更进一步地提高粉末渗锌剂的性能。

实施例3

在实施例1或2的基础上，本实施例提供一种粉末渗锌剂，该粉末渗锌剂还包括二氧化锰，二氧化锰的质量份数不大于分解剂的质量份数，具体地，二氧化锰的质量份数可以为0-3份，比如0.01份、0.05份、0.1份、0.2份、0.3份、0.4份、0.5份、1份、1.5份、2份、2.5份、3份等，可视具体情况而定，本申请对此不做限制。

在实际应用中，二氧化锰加入至粉末渗锌剂中可以作为镁的渗入反应催化剂，其通过与作为分解剂的卤化氨反应来促进镁向渗层中的扩散。首先，卤化氨高温分解得到氨和卤化氢气体，然后卤化氢气体与二氧化锰反应得到卤化锰和氯气等气体，氯气等气体能够提供大量活性离子，活性离子与镁反应能够生成活性无水卤化镁气体，最终活性无水卤化镁气体可以与渗层中的锌发生交换，进而发生镁向渗锌层中的扩散。

以氯化铵为例，在350℃的条件下，氯化铵开始分解生成氨和氯化氢，氯化氢与二氧化锰反能够生成氯化锰和氯气，氯气能够在渗层表面提供大量的活性氯离子，活性氯离子与镁反应生成活性无水氯化镁气体，而活性无水氯化镁气体能够与渗层中的锌发生置换反应，进而促进镁向渗层中扩散。

特别是在粉末渗锌剂中还包括卤化镁活性剂的情况下，固态卤化镁能够与气态卤化镁产生双重催渗作用，推动镁源源不断地渗入渗锌层中，以使渗锌层中能够含有足量的镁，并与锌反应形成高耐蚀的锌镁合金相，提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例4

本实施例提供一种防腐蚀金属件，该防腐蚀金属件的表面通过实施例1-3任意一项所述的粉末渗锌剂渗入锌与镁形成能够防止金属件腐蚀的渗层。

将表面清理过的金属件与粉末渗锌剂一同装入密封容器中，加热到锌的熔点(419.4℃)以下，保温一定的时间，然后随炉冷却到室温，金属件的表面就形成了能够防止其腐蚀的渗层。

渗层中镁的平均含量在0.5wt％-20wt％之间，比如1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％等，以保证能够最大限度的提高渗层的耐腐蚀性能。经过大量实验证明，在渗层中的镁含量小于0.5wt％的情况下，即镁的质量份数小于3份的情况下，，镁主要与含氧物质中的氧发生反应，无法进入渗层中，在渗层中的镁含量大于12wt％的情况下，即镁的质量份数大于40份的情况下，渗层中镁含量会偏高，导致形成的镁合金相偏多，由于镁合金自身是极不耐腐蚀的，故渗层的耐腐蚀性能反而明显下降。与普通渗层相比，含有0.5wt％—20wt％镁的渗层其耐中性盐雾寿命可以提高数十倍，具有极高的工程应用价值和应用前景。

渗层的厚度优选为20-100μm，其具体可以为20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等，可视具体情况而定，本申请对此不做限制。

其中，渗层中镁的含量随着渗层深度的增加而减少，在渗层中较浅的位置处，镁的含量较多，在渗层中较深的位置处，镁的含量较少。

此外，需要说明的是，渗层的表面镁含量可能会大于20％，这是由于渗层表面会粘附过量的镁粉而导致的渗层表层镁含量较高。但该部分仅仅出现在渗层表层，随着腐蚀的进行，高镁含量的渗层表层很快会被腐蚀，进而露出镁含量在0.5wt％-20wt％的能够防止金属件被腐蚀的渗层，在该渗层中，镁能够聚集在锌的弱晶界处，并通过高温反应形成MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等合金相自身为高耐蚀相，在晶界处形成可以促使原来的弱晶界结构变为强晶界结构，特别是这些强晶界结构对氯离子等腐蚀性物质是不透明的，可以将这些腐蚀性物质阻挡在外面。同时，MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等锌镁合金相在腐蚀过程中，腐蚀产物由普通粉末渗锌的疏松组织转变为致密组织，从而极大提高了金属件的耐腐蚀性能，极大延长了金属件的使用寿命。

参见图10和图11，图10是普通渗锌层表面腐蚀产物放大图，图11是本实施例提供的防腐蚀金属件的含镁渗锌层表面腐蚀产物放大图，可以明显看出，普通渗锌层的表面腐蚀产物数量远远多于本实施例提供的防腐蚀金属件的含镁渗锌层表面腐蚀产物。换而言之，本实施例提供的防腐蚀金属件，由于其渗锌层含有一定量的镁而使得其耐腐蚀性能得到了显著的提高。

实施例5

本实施例提供一种渗锌方法，包括步骤S1至步骤S3。

S1、对待渗锌的金属件进行除油除锈处理，并将处理后的金属件与实施例1或2所述的粉末渗锌剂共同置于密闭渗罐中。

S2、驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门。

在实际应用中，可以对所述密闭渗罐进行抽真空处理，或向所述密闭渗罐中通入保护气氛以驱赶所述密闭渗罐中的空气，并关闭所述密闭渗罐的阀门。其中，保护气氛优选为惰性气体。

S3、对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至预设温度后保温1-10小时，完成渗锌。

在实际应用中，可以对所述密闭渗罐进行升温处理，升温至360℃-415℃或320℃-480℃的情况下保温1-10小时，比如2小时、4小时、6小时、8小时等，即可完成渗锌。其中，在粉末渗锌剂为静态粉末的情况下，预设温度优选为360℃-415℃，比如360℃、370℃、380℃、390℃、400℃、410℃、415℃等，在粉末渗锌剂为动态粉末的情况下，预设温度优选为320℃-480℃，比如320℃、340℃、360℃、380℃、400℃、420℃、440℃、460℃、480℃等。

本实施例提供的渗锌方法，通过驱赶所述密闭渗罐中的空气，可以有效避免粉末渗锌剂中的镁与空气反应，通过对所述密闭渗罐进行升温处理，不仅可以进一步驱赶密闭渗罐中的空气，同时还创造了完成金属件渗锌的适宜环境条件，升温至预设温度后保温1-10小时，完成渗锌，渗锌效果好，渗层质量高。本申请提供的渗锌方法，操作简单，使用方便，成本低廉，经济效益高，适用范围广。

实施例6

本申请提供的粉末渗锌剂及渗锌方法对于其能够应用的多个方面均带来了显著的改善，在此以防雷接电、铁路扣件、高强度紧固件为例进行具体说明。

其一，防雷接电方面，目前防雷接电采用的防腐方式普遍为电镀铜，一方面电镀铜成本很高，目前一吨接地件的电镀铜加工费两万多元，另一方面，在碱性土壤等环境中，铜容易发生腐蚀，易导致接地件的提前腐蚀而失效，同时还会对土壤、水源等环境造成重金属污染。目前单纯的电镀锌、热镀锌、粉末渗锌这些产品耐腐蚀性能达不到接地标准要求，要想达到耐腐蚀要求就必须要做封闭等处理，但一旦做了封闭等处理，接地件电导率明显下降，达不到防雷接地的导电性要求。

采用本申请提供的粉末渗锌剂及渗锌方法，可以完美解决上述问题。由于粉末渗锌剂中加入了镁粉，极大的提高了其渗锌后的耐腐蚀性能，不需要封闭等处理耐腐蚀性能、使用寿命即可达到标准要求，并且锌和镁对生态环境也不会造成任何污染。同时，本申请提供的粉末渗锌剂及渗锌方法总共成本不到五千元/吨，能够极大降低防雷接电行业的整体成本。

其二，铁路扣件方面，目前铁路扣件普遍采用粉末渗锌加封闭处理的方法进行渗锌处理，但在铁路的高震动服役环境下，实际使用寿命远远达不到设计要求，实际使用寿命往往还没有达到设计寿命一半的时间，铁路扣件就已经整体更换了一遍。

采用本申请提供的粉末渗锌剂及渗锌方法，通过实现铁路扣件渗层中适量镁的渗入，能够大大提高其耐腐蚀性能，极大延长其使用寿命，完全可以满足地铁等特殊场景的高标准要求。

福建郭坑铁路工务设备有限公司于2019年10月对采用本申请所述粉末渗锌剂及渗锌方法的铁路电频进行了盐雾、二氧化硫腐蚀等试验，检测结果显示采用本申请所述粉末渗锌剂及渗锌方法进行渗锌处理后的铁路垫片在吹砂后盐雾的使用寿命大于2000小时和1000小时。而现有的粉末渗锌后续的封闭、达克罗等处理都是无机、有机涂料，在模拟风沙吹蚀条件下，通常会迅速被吹落直接露出渗锌层，普通渗锌层耐盐雾寿命往往只有几十小时。特别是针对地铁铁路高达100年以上设计寿命的要求，该技术具有极好的应用前景。

机械工业表面覆盖层产品质量监督检测中心(武汉材料保护研究所有限公司表面工程实验室)于2019年12月对采用本申请所述粉末渗锌剂及渗锌方法渗锌的地铁铁路垫片进行了中性盐雾试验(NSS试验)检测，检测结果显示通过本实施例所述的方法进行渗锌处理的地铁铁路垫片，经1500小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈。

这足以说明本申请提供的粉末渗锌剂及渗锌方法完全能够实现铁路所用金属件高耐蚀的渗锌层制备，金属件在渗锌后其耐中性盐雾寿命可以达到1500小时以上，同时还可以省去后续封闭、达克罗等涂层处理，不仅简化了工艺，还极大提高了金属件的性能。

其三，高强度紧固件方面，以风电行业为例，风电行业中的风电螺栓为高强度紧固件，目前采用的方法多为粉末渗锌加封闭或者达克罗，后续维护基本靠刷漆。风电螺栓一旦安装后很难更换，一旦因为腐蚀问题发生断裂失效，会造成极大的财产损失甚至人员伤亡。

采用本申请提供的粉末渗锌剂及渗锌方法则不会出现上述问题。在渗层中引入镁元素，热扩散过程中形成MgZn₂与Mg₂Zn₁₁等耐腐蚀的合金相。渗层在腐蚀过程中，镁锌合金相促使产生致密不易溶的腐蚀产物；同时，MgZn₂等合金组织自身结构致密，有效降低了腐蚀速率。当渗层表面被划伤后，在受损部位还能很快形成一层致密的化合物层，阻止腐蚀的进一步发生，从而具有自修复的功能，能够完美适用于高强度紧固件。

实施例7

本试验例提供试验组1-4。试验组1-4均使用相同的金属件，其中试验组1对金属件进行电镀锌处理，试验组2对金属件进行热浸锌处理，试验组3对金属件进行粉末渗锌和封闭处理，试验组4采用实施例1所述的粉末渗锌剂和实施例4所述的方法对金属件进行渗锌处理，处理完成后检测各组金属件的硬度、耐腐蚀寿命、氢脆性、抗盐雾性、渗层厚度、耐磨性、抗二氧化硫性等性能进行检测，结果如表1所示。

表1各组金属件使用性能对比表

使用性能	试验组1	试验组2	试验组3	试验组4
					硬度(HV)	180-200	180-200	300-380	300-400
耐腐蚀寿命	＜1年	5-10年	＞20年	＞50年
					氢脆性	有氢脆	有氢脆	无氢脆	无氢脆
抗盐雾试验	＜100h	＞100h	300-1000h	＞1500h
					渗层厚度	5-30μm	5-70μm	20-120μm	5-200μm
公差影响	较小	较大	较小	较小
					耐磨性	一般	一般	好	好
抗二氧化硫	差	差	一般	好
					外观均匀性	较好	差	好	好

从以上数据中可以看出，采用本申请提供的粉末渗锌剂及渗锌方法对金属件进行渗锌处理，硬度强，耐腐蚀寿命长，无氢脆，抗盐雾和抗二氧化硫效果好，此外，本申请提供的粉末渗锌剂不会对环境造成任何污染，能够在市区进行建厂制造，前景广阔。

实施例8

本实施例的粉末渗锌剂包括以下组分：粒径10μm的锌粉35份、粒径20μm的镁粉10份、粒径50μm的氧化铝粉50份、氯化铵5份。

按照上述比例分别称取相应重量份的组分与45号钢圆钢(重量份为4000份)共同放入旋转渗锌炉中(转速15转/分钟)，升温至300℃时，氯化铵开始分解，有大量气体排出，温度至350℃时，关闭渗锌炉渗罐阀门，使其处于低氧密封状态。400℃保温6小时，得到含镁渗锌层，渗层厚度55μm，耐中性盐雾时间400小时(经400小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。

由此可见，锌与镁能够形成高耐腐蚀的锌镁合金相，从而能够大幅提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例9

本实施例的粉末渗锌剂包括以下组分：粒径10μm的锌粉32份、粒径30μm的AZ91镁合金粉5份、粒径50μm的氧化铝粉60份、氯化铵2份、氯化镁1份。

按照上述比例分别称取相应重量份的组分与Q235防雷接地杆(重量份为3000份)共同放入旋转渗锌炉中，抽真空至真空度达到1000Pa以内，关闭渗锌罐阀门，使其处于低氧密封状态。410℃保温6小时，得到含镁渗锌层，渗层厚度62μm，耐中性盐雾时间1000小时(经1000小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。

由此可见，在粉末渗锌剂中既加入镁粉又加入卤化镁活性剂的情况下，卤化镁活性剂能够促使镁能快速有效的渗入渗层中，进而更进一步提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例10

本实施例的粉末渗锌剂包括以下组分：粒径5μm的锌粉32份、粒径20μm的AZ31镁合金粉15份、粒径20μm的氧化铝粉50份、氯化铵2份、氯化镁1份。

按照上述比例分别称取相应重量份的粉体及活化剂，与Q235防雷接地杆(重量份为3000份)共同放入旋转渗锌炉中(转速20转/分钟)，抽真空至真空度达到1000Pa以内，关闭渗锌罐阀门，使其处于低氧密封状态。410℃保温6小时，得到含镁渗锌层，渗层厚度62μm，耐中性盐雾时间1600小时(经1600小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。

由此可见，在粉末渗锌剂中既加入镁粉又加入卤化镁活性剂的情况下，卤化镁活性剂能够促使镁能快速有效的渗入渗层中，进而更进一步提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例11

本实施例的粉末渗锌剂包括以下组分：粒径5μm的锌粉38份、粒径10μm的自制镁合金粉5份、粒径20μm的氧化铝粉55份、氯化铵1份、氯化镁1份。其中自制镁合金粉成分按重量百分比为：镁80％、铝15％、锌5％。

按照上述比例分别称取相应重量份的粉体及活化剂，与60Si₂Mn铁路垫片(重量份为5000份)共同放入旋转渗锌炉中(转速30转/分钟)，充入氩气，待氩气充满渗罐赶走空气后开始升温，升温、保温、降温过程中持续通入氩气，保证整个过程都是保护气氛环境。415℃保温8小时，得到含镁渗锌层，渗层厚度80μm，耐中性盐雾时间2000小时(经2000小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。

由此可见，在粉末渗锌剂中既加入镁粉又加入卤化镁活性剂的情况下，卤化镁活性剂能够促使镁能快速有效的渗入渗层中，进而更进一步提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例12

本实施例的粉末渗锌剂包括以下组分：粒径1μm的锌粉44份、粒径5μm的AZ91镁合金粉14份、粒径10μm的氧化硅粉40份、氯化镁2份。

按照上述比例分别称取相应重量份的粉体及活化剂，与40CrMo钢模具(重量份为1000份)共同放入静态渗锌炉中(转速0转/分钟，保证精密件产品之间不会发生碰撞变形)，抽真空至真空度达到100Pa以内，关闭渗锌罐阀门，使其处于真空状态。385℃保温8小时，保温过程中保证渗罐内真空度在100Pa以内，得到含镁渗锌层，渗层厚度40μm，耐中性盐雾时间1000小时(经1000小时中性盐雾试验后，试样表面未出现红锈)。

由此可见，在粉末渗锌剂中既加入镁粉又加入卤化镁活性剂的情况下，卤化镁活性剂能够促使镁能快速有效的渗入渗层中，进而更进一步提高渗层的耐腐蚀性能。

实施例13

本实施例设置试验组和对照组，各组的粉末渗锌剂组成成分如表2所示。

表2各组粉末渗锌剂组成成分示意表

组别	粉末渗锌剂组成成分
		试验组	锌粉40份+镁粉8份+氧化铝粉50份+氯化铵1份+氟化镁1份
对照组	锌粉40份+铝粉8份+氧化铝粉50份+氯化铵1份+氟化镁1份

采用试验组和对照组的粉末渗锌剂以及实施例5所述的渗锌方法对金属件进行渗锌处理，并进行盐雾试验，结果如图12所示。

参见图12，其中在盐雾试验进行0h即试验刚刚开始时，试验组和对照组的金属件均处于无任何锈迹的初始状态，在盐雾试验进行100h时，对照组的金属件上出现大量白锈，而试验组的金属件上仅出现少量白锈，在盐雾试验进行200h时，对照组的金属件上出现明显红锈，至此结束对照组试验，而试验组的金属件上仍然仅存在少量白锈，在盐雾试验进行1000h时，试验组的金属件上还是仅存在少量白锈，在盐雾试验进行2000h时，试验组的金属件上白锈增多。

可见，在盐雾试验中，对照组金属件出现红锈的时间远小于试验组金属件出现红锈的时间，对照组的试验结果远不如试验组的试验结果，所以采用锌粉、铝粉等成分组成的粉末渗锌剂对金属件进行渗锌处理，形成的锌铝渗层对于耐腐蚀性能的提高十分有限，而采用本实施例提供的粉末渗锌剂对金属件进行渗锌处理，可以显著提高其渗层的耐腐蚀性能，显著延长金属件的使用寿命。

实施例14

本实施例设置试验组1-4，各组的粉末渗锌剂组成成分如表3所示。

表3各组粉末渗锌剂组成成分示意表

分别采用试验组1-4的粉末渗锌剂以及实施例5所述的渗锌方法对金属件进行渗锌处理，并进行盐雾试验，结果如表4所示。

表4各组粉末渗锌剂盐雾试验结果对比表

可见，采用试验组1的粉末渗锌剂对金属件进行渗锌处理后，形成渗层的金属件在盐雾试验100h后出现大量白锈，200h出现明显红锈；采用试验组2和试验组3即本申请提供的粉末渗锌剂对金属件进行渗锌处理后，形成锌镁渗层的金属件在盐雾试验100h-3000h的情况下均仅出现少量白锈，在3500h后才出现大量白锈，可见其耐腐蚀性能有了显著的提高；采用试验组4的粉末渗锌剂对金属件进行渗锌处理后，形成渗层的金属件在盐雾试验100h后出现大量白锈，200h出现明显红锈，与试验组1无甚差异，可见如试验组4的在粉末渗锌剂中加入过多组分并未对其耐腐蚀性能有任何改善。

这是由于粉末渗锌属于固固反应，是通过固相扩散形成渗层的，单一元素的粉末渗锌易于实现，而多元共渗则相反。当粉末渗锌剂中所含各元素之间形成在高温扩散温度下温度的化学化合物或固溶度很小的金属间化合物时，渗剂的活性显著降低。在二元渗剂中，随着其中一组元浓度的增加，会减少另一组元原子的活性。而在渗剂中的两个渗入元素比例恰好符合化学化合物的成分比例的情况下，无法扩散形成渗层。如果粉末渗锌剂的其中一种渗入元素的量多于形成化合物所要求的量，则仅会产生该元素的渗入。对于三元以上多元合金共渗，则机理更为复杂。因此，对于粉末渗锌而言，采用最简单的组分和最简化的催化剂形成特定的渗层，才具有工程应用价值。

参见试验组4，该组提供的粉末粉末渗锌剂中同时添加了锌粉、镁粉、铝粉等多种金属粉末，以其中的锌粉、镁粉、铝粉为例，铝的活性强于锌，因此镁首先与铝发生反应，一旦镁与铝反应就会形成性能稳定的镁铝化合物，性能稳定的镁铝化合物无法渗入渗锌层中，因为其无法提供扩散所需的化学驱动力。因此，在粉末渗锌剂中同时添加镁和铝，要想镁能够渗入渗锌层中，镁的含量通常要高于铝的含量，比如若渗剂金属中铝的含量为5wt％，则镁的含量可以为7wt％等，以提供足量的活性镁原子向渗锌层中扩散。若渗剂中除了镁、铝还有其它合金元素时，则镁的含量往往还需进一步提高以促使镁向渗锌层中的扩散。

此外，在以锌铝合金为主的渗层中，在粉末渗锌剂中添加一定量的镁，镁在一定程度上是可以渗入渗层组织中的，但由于渗锌层中铝的存在，镁同样会优先与铝反应，并在渗层中形成镁铝合金相组织，镁铝合金相虽然可以起到细化渗层组织晶粒的作用，但无法起到提高耐腐蚀性能的作用。由于镁优先与渗层中的铝反应，镁基本无法再与渗层中的锌反应形成高耐蚀的MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等高耐蚀锌镁合金相，无法提高渗层的耐腐蚀性能。

在本文中，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等仅用于表示相关部分之间的相对位置关系，而非限定这些相关部分的绝对位置。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

在本文中，“相等”、“相同”等并非严格的数学和/或几何学意义上的限制，还包含本领域技术人员可以理解的且制造或使用等允许的误差。

除非另有说明，本文中的数值范围不仅包括其两个端点内的整个范围，也包括含于其中的若干子范围。

上面结合附图对本申请优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本申请并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请构思的前提下做出各种变化。