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

本实施例提供一种弹条，该弹条包括基材和合金层，所述合金层为将粉末渗剂渗入所述基材表面形成含有多元素的合金层。

所述合金层中的组分以及各种组分的含量为：铝1wt％～22wt％、镁0.1wt％～7wt％、锌20wt％～80wt％、锰0.01wt％～1.25wt％，余量还有5wt％-20wt％，余量为所述基材中的组分，如若基材是由铁、镍及其它合金元素组成，那预料便为铁、镍及其它合金元素，若基材中只有铁、镍，则余量便为铁、镍，若基材的组分只有铁，那余量便为铁，等等。

优选地，合金层中的组分以及各种组分的含量为：铝5wt％～15wt％、镁3wt％～5wt％、锌60wt％～75wt％、锰0.04wt％～0.6wt％，余量为基材中的组分，余量的含量一般为8wt％-32wt％，其中，合金层中渗入的组分是铝、镁、锌、锰，例如，这几种渗入的组分在合金层的含量可以为以下任意一组：①铝5wt％、镁5wt％、锌60wt％、锰0.6wt％；②铝15wt％、镁3wt％、锌75wt％、锰0.04wt％；③铝12wt％、镁4wt％、锌65wt％、锰0.3wt％；④铝9wt％、镁4.5wt％、锌70wt％、锰0.5wt％。

合金层的厚度大于20μm，如20μm～100μm，具体地，如20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm等。在本申请的体系中，合金层的厚度一般为50-75μm之间，如53μm、58μm、62μm、67μm等，该厚度远远超出了现有技术中的水平。粉末浸入均匀且浸入的深度较深，则使得弹条的抗腐蚀性能、耐磨性、塑性、刚性、瞬间承压能力等等整体性能更优越，从而使得其能够用在轨道等对弹条要求较高的环境中。

优选地，余量中含有铁，且铁的含量不小于8％。在实践中，弹条一般为钢铁结构，铁为主要成分，因此，一般铁的含量会占到10％以上。在本申请的体系中，合金层中的锰还能够与铁形成复合体系，从而能够减少铁的有害作用的同时，增加铁的耐磨性和耐蚀性。

作为进一步优选的实施方式，在所述合金层中，所述锰的含量为镁含量的1％～15％，优选5％～12％，如4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％。粉末在渗如弹条的过程中，渗层或弹条中会有一定量的铁，如上所说，铁是影响面层高镁含量组织耐腐蚀性的重要因素。锰的加入可以极大减少渗层中铁的有害作用。渗层中加入锰，主要是为了改善渗层面层的耐蚀性和耐磨性。当镁中含有1％～15％锰时，便可以极大提高面层的耐蚀性，同时避免了因为局部镁含量多而导致的不足，并可与镁产生性能更好的复合体。具体地，由于锌镁铝渗层中，过量镁容易富集在渗层最外层，过量镁导致渗层组织的表层在腐蚀过程中会迅速被腐蚀。渗层组织中加入锰，主要是为了改善渗层面层的耐蚀性。而锰含量若太多，则可能会降低合金层的塑性，因此，在本申请的体系中，该含量适宜，能够平衡其他金属组分，还增加了弹条的综合效果。

在本实施例中，通过大量实验数据表明，当合金层中含有以上所述的特定量的合金组分时，且合金层大于20μm时，其硬度、脆性、塑性、抗盐雾能力等最佳。即当弹条表面的金属合金层中，含有特定含量的锌、铝、镁、锰时，其弹条的防腐蚀性能和耐磨性都得到了极大的提升，寿命大大增加。

实施例2

在实施例1的基础上，我们获知，在本发明中，弹条的合金层中含有特定含量的锌、铝、镁、锰时，其防腐蚀性能和耐磨性等综合性能佳。而如何能够使这几种组分在合金层中具有这些含量呢，主要是用到了以下的多元粉末渗剂，便可获得实施例中的弹条。

所述多元粉末渗剂的组分以及各组分的重量份数包括：锌粉60～80份、锌铝合金粉5～20份、铝镁合金粉1～20份、活化剂0.1～5份，所述活化剂中含有Mn。优选地，锌粉65～75份、锌铝合金粉10～18份、铝镁合金粉8～18份、活化剂2～4份。如该多元粉末渗剂的组分可以为以下任意一组：①锌粉65份、锌铝合金粉18份、铝镁合金粉8份、活化剂4份；②锌粉75份、锌铝合金粉10份、铝镁合金粉18份、活化剂2份；③锌粉70份、锌铝合金粉13份、铝镁合金粉11份、活化剂3份；④锌粉72份、锌铝合金粉16份、铝镁合金粉16份、活化剂4份。

其中，所述活化剂为氯化铵和高锰酸钾，在该活化剂中，高锰酸钾的占比为2wt％～20wt％，优选6～15wt％，如6wt％、如7wt％、如8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt％、14wt％、15wt％等，余量为氯化铵。高锰酸钾大概在220℃左右开始发生分解，至350℃完全分解，氯化铵的分解开始温度为100℃，在100-200℃下，氯化铵可与高锰酸钾发生反应，生成能够渗入锰以及催化其他组分渗入或反应的物质。而其它的卤化铵为非优选结构，因为氟化铵分解的氟化氢与高锰酸钾不反应，而溴化铵、碘化铵、氟化铵则因为分解温度高于高锰酸钾分解温度，不被采用。

作为进一步优选的实施方式，所述粉末渗剂中还包括稀土氧化物和/或分散剂，其中，在所述粉末渗剂中，所述稀土氧化物的重量份数为0.1～1份；优选稀土氧化物0.3～0.6份，如0.3份、0.4份、0.5份、0.6份。该稀土氧化物具有催渗的作用。

优选地，所述稀土氧化物为纳米稀土氧化物，其包括氧化铈和/或氧化镧。

作为进一步优选的实施方式，所述分散剂的重量份数为10～100份。优选分散剂20～30份，如20份、22份、26份、28份、30份。

优选地，所述分散剂优选为氧化铝、氧化硅、氧化镁、氮化铝、氮化硅和碳化硅中的至少一种。这些分散剂在本发明的体系中，可以有效防止金属粉末发生粘结。

作为进一步优选的实施方式，在所述锌铝合金粉中，铝含量5wt％—15wt％，余量为锌，如铝含量可为5wt％、8wt％、10wt％、12wt％、15wt％等。该锌铝合金粉的使用，促使在渗锌的过程中能有一定量的铝同步渗入；若该锌铝合金粉中的铝含量太高，则铝的同步渗入效果较差，因此，该比例最佳。而且，如果在渗层中同步渗入一定量的铝，铝与基体中的铁可形成铁铝金属间化合物相，则对渗层整体的耐磨性提高具有明显的作用。

在所述铝镁合金粉中，铝含量40wt％～60wt％，余量为镁，如铝含量可为40wt％、45wt％、50wt％、55wt％、60wt％等。二者为共晶合金，且二者质量比在前述的比例时，其合金的熔点恰好在450℃左右，远远低于单质镁和铝，单质镁和铝均大于650℃的熔点，因此，其在粉末渗锌过程中更利于促使镁与铝的同步渗入，相对于其他比例而言，渗入的均匀度和量更好，因此，综合效果更佳。此外，通过将镁与铝形成合金粉末，避免了镁粉易发生爆炸、容易被氧化及含量较少时，不容易继续渗入而形成局部过甚引起金属性能变低的不足。而且，在本申请的体系中，铝镁合金粉中的镁含量一般不超过70wt％，由于锌镁渗层中，过量镁容易富集在渗层最外层，过量镁导致渗层面层的耐腐蚀性和耐磨性相对较差。

在本实施例中，所用的多元粉末渗剂中，含有纯的锌粉，其在本申请的工艺中能够正常渗入；同时含有锌铝合金粉和铝镁合金粉两种合金粉末，其中锌铝合金粉使得在渗入锌的通过时能够有一定量的铝同步渗入。铝镁合金粉为共晶合金，二者在本申请给出的比例下，其熔点低，在本申请的体系以及渗入方法中，更有利于在渗锌的同时，促使镁与铝的同步渗入。而多元粉末渗剂中还含有活化剂，该活化剂中的氯化铵占比较多，其能够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。同时，卤化氢能够与高锰酸钾反应，生成的氯化锰能够作为锰源使得锰进入渗层中，而且氯化锰也具有一定的促进金属渗入的作用，更重要的是活性氯化锰中的氯离子也有助于促进锰渗入渗层组织中。高锰酸钾与氯化氢反应不仅能提供氯化锰渗锰剂，还能生成氯化钾，氯化钾是很好的催化剂，有利于各种金属的渗入。而单纯的锰金属无法渗入，氯化锰基本都是水合氯化锰，无法使用，直接加氯化钾也不可取，因为也是水合氯化钾。此外，再配合本申请中的稀土氧化物、分散剂等的作用，实现渗锌过程中，铝、镁、锰的同步渗入。尽可能得同步渗入，便能使得某一种金属元素不容易在表层富集从而影响性能，且本申请的体系在同步渗入的同时，能够使渗层厚度达到20μm～100μm，使得金属能够实现极佳的耐腐蚀性和耐磨性。更重要的是，在渗层中，本申请中的体系还能够使得锌和镁发生作用，从而增加其耐腐蚀性能。具体地，锌的原子半径为0.1332纳米，镁的原子半径为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。

总而言之，本实施例提供的弹条，如图1所示，图的上边为经过本申请的渗剂处理后的弹条的表面示意图，图的下边为未经过任何处理的弹条表面示意图。处理后的弹条，其综合性能佳，而本申请的多元粉末渗剂能够实现弹条产品的合金层中含有特定含量的铝、镁、锌、锰，因此，渗剂与对于弹条产品相辅相成，综合实现其极佳的耐腐蚀性能和耐磨性能。

实施例3

在实施例1和/或实施例2的基础上，本实施例公开了一种所述的弹条的制备方法，该方法为：

Step1：采用旋转炉体共渗工艺，将所述粉末渗剂与所述基体在多元合金共渗炉中一起旋转，保证渗剂混合均匀，从而能够保证反应均匀；对于混合均匀和反应均匀，目前本领域的常规技术均能实现，这是非常基础的条件保障。

Step2：对所述共渗装置进行升温处理，升温至预设温度后保温1-10小时，通常为4-7小时，完成渗锌；

优选地，对共渗炉抽真空以使其真空度小于100Pa，再进行升温处理，需要说明的是，在整个反应中，均需维持该真空度。且Step2中的反应温度为400℃～450℃之间，反应时间大于1小时。

作为进一步优选的实施方式，在Step2中，

①对共渗炉抽真空以使其真空度小于100Pa，再进行升温处理，通过抽真空，维持炉内真空度小于100Pa，以将生成的氯气、水蒸气迅速抽走。防止水蒸气影响粉末渗的进行，防止氯气引起安全隐患。

②然后将共渗炉中的温度升高至100℃～200℃范围温度内，停留时间大于1小时，通常1-3小时便可，如1小时、2小时、3小时。保证氯化铵在该温度条件下能充分分解(氯化铵的分解开始温度为100℃，分解成HCl)，而高锰酸钾尚未分解，此时发生如下反应式：2KMnO₄+16HCl＝2KCl+2MnCl₂+5Cl₂↑+8H2O；

③然后再将温度升高至400℃～450℃之间，反应时间1～9小时，通常反应2-5小时，如2小时、3小时、4小时、5小时，完成渗锌。

在本实施例的方法以及渗剂体系中，温度较低，仅需要400℃～450℃便可完成，避免了因为太高温度而容易导致弹条力学性能变差的不足。

且在本实施例中，通过上述特定的反应，能够使本申请的反应效果更好，更能够有效利用渗剂，并使其有效渗入至弹条中，获得如实施例1所述的弹条。

实施例4

制备方法：采用旋转炉体共渗工艺，将上述的多元粉末渗剂与弹条均放入多元合金共渗炉中，二者一起旋转，保证渗剂混合均匀和反应均匀。二者混合后，对共渗炉抽真空以使其真空度小于100Pa，然后将共渗装置中的温度升高至120℃左右，反应2小时。然后再将温度升高至420℃左右，反应时间6小时。

实验例1：多元粉末渗剂：锌粉70份、锌铝合金粉15份、铝镁合金粉13份、活化剂3份、氧化镧0.4份、分散剂25份。

其中，活化剂为氯化铵和高锰酸钾，在该活化剂中，高锰酸钾的占比为13wt％，氯化铵为87％。

分散剂为氧化铝和氧化镁，二者重量比3:1。

在锌铝合金粉中，铝含量12wt％，余量为锌；

在铝镁合金粉中，铝含量50wt％，余量为镁。

将该实验例中的多元粉末渗剂与弹条采用上述方法制备得到表面含有本申请合金层的加工后的弹条。

实验例2：多元粉末渗剂：锌粉65份、锌铝合金粉18份、铝镁合金粉8份、活化剂4份、氧化镧0.3份、分散剂30份。

其中，活化剂为氯化铵和高锰酸钾，在该活化剂中，高锰酸钾的占比为8wt％，氯化铵为92％。

分散剂为氮化铝和氧化镁，二者重量比1:2。

在锌铝合金粉中，铝含量15wt％，余量为锌；

在铝镁合金粉中，铝含量40wt％，余量为镁。

将该实验例中的多元粉末渗剂与弹条采用上述方法制备得到表面含有本申请合金层的加工后的弹条。

实验例3：多元粉末渗剂：锌粉75份、锌铝合金粉10份、铝镁合金粉18份、活化剂2份、氧化铈0.6份、分散剂20份。

其中，活化剂为氯化铵和高锰酸钾，在该活化剂中，高锰酸钾的占比为15wt％，氯化铵为85％。

分散剂为氧化铝和氧化硅，二者重量比1:1。

在锌铝合金粉中，铝含量5wt％，余量为锌；

在铝镁合金粉中，铝含量60wt％，余量为镁。

将该实验例中的多元粉末渗剂与弹条采用上述方法制备得到表面含有本申请合金层的加工后的弹条。

空白对照：未经过任何处理的弹条。

不加锰：将实验例1中的高锰酸钾去除，由于简单去除对于产品性能影响较大，因此，将镁的含量增加了一倍，并增加了活性试剂氯化镁，从而使得产品综合性能较高。

以上的实验例、空白对照以及不加锰的方法等所用的未经处理的弹条均一样。该弹条的主要成分为铁。

分别对实验例1、实验例2、实验例3、空白对照以及不加锰的方法得到的弹条，吹砂后进行中性盐雾试验，结果如下表所示。

由上表可知，实验例的综合效果均非常优异。且由上表可知，基体原始表面显微硬度HV350，渗后不含锰的HV395，而本申请可达到HV430～HV440之间，大大提升了其硬度，使其耐磨性能有了一个质的提高，效果极佳。且实验例中的抗盐雾性能极佳，抗盐雾试验中显示其大于3500h，相较于不加锰以及空白对照中效果非常惊喜，综合实践应用，我们可以合理推测，该弹条的寿命可达到100年甚至更多。图2为某铁路试验路段采用本专利所述的弹条，使用两年后的照片，从图中看出表面无任何锈斑及腐蚀迹象。图5为实验例盐雾3000小时后的截面微观照片，由此可知，通过3000小时的盐雾试验以后，其合金层厚度还能够达到21μm左右，效果显而易见。而不加锰的试验中，其盐雾试验仅为2000小时。

图3为实验例1中的弹条在渗剂渗完以后的断面电镜示意图，图4为渗完以后的表面电镜示意图。由图可知，其合金层厚度较为均匀，且厚度较厚，平均在60-70μm左右。实验例1的整个合金层中所渗入的合金含量为锌70wt％、铝8.7wt％、镁4.0wt％、锰0.46wt％，铁12％，其他为基体中含有的镍。在如图所示的表层中，各金属的含量为锌78％，铝10.5％，镁5.1％，锰0.7％，铁5％,余量镍。本申请的合金层中的金属含量由上到下基本呈均匀的较少状态，无某处沉积的现象。按由表至里的方向而言，在深度为20μm左右处，各元素的含量为锌74％，铝9.8％，镁4.7％，锰0.44％；在深度为40μm左右处，各元素的含量为锌63％，铝8.1％，镁3.4％，锰0.29％，在深度为55μm左右处，各元素的含量为锌27％，铝2.5％，镁1.4％，锰0.1％。且本申请实验例的表面光滑，平整。

通过以上实验可知，采用本申请的多元金属渗剂能够得到如实施例1所述的金属渗入量，且其抗盐雾能力和耐磨性明显提高，且耐二氧化硫效果也好，可适宜于在严苛的环境下使用，如轨道中等。

实施例5

为了进一步研究本申请中的弹条，本申请人还对处理后的弹条做了多项测试，如合金层的厚度，以及不同厚度中，金属元素的分布。

对比例1：多元粉末渗剂的各个金属粉末含量与实施例4中的实验例1一样，制备方也一样，区别仅在于：采用金属Mn，所加Mn与高锰酸钾的摩尔数一样，活化剂仅为氯化铵，且量与实验例1中的氯化铵一样。

对比例2：多元粉末渗剂的各个金属粉末含量与实施例4中的实验例1一样，制备方也一样，区别仅在于：不加氯化铵。

对比例3：多元粉末渗剂的各个金属粉末含量与实施例4中的实验例1一样，制备方也一样，区别仅在于：不加高锰酸钾。

对比例4：多元粉末渗剂的各个金属粉末含量与实施例4中的实验例1一样，制备方也一样，区别仅在于：氯化铵换成氟化铵。

对比例5：多元粉末渗剂的各个金属粉末含量与实施例4中的实验例1一样，制备方也一样，区别仅在于：氯化铵换成溴化铵。

对比例6：多元粉末渗剂的各个金属粉末含量与实施例4中的实验例1一样，区别仅在于：制备方法中直接加热到420度左右。

对以上实施例的耐磨性和耐腐蚀性能进行了测试，并测试了其合金层中所渗入的金属含量。

由上表可知，实验例1的综合效果均非常优异，在实施例4中已有说明。对比例1虽然也会有一定锰含量，但含量极低，且其他的铝和镁等在合金层中的含量也大大降低，且镁主要集中在浅层，20μm以后几乎很难检测到；而且合金层的整体厚度与实验例1具有明显差别。对于对比例2-5，其耐模型也明显小于实验例，且渗层厚度也明显小于实验例，另外，其渗层中几乎不含有锰元素，且抗盐雾能力差，耐腐蚀性能明显不如实验例。对于对比例6，由于制备方法中条件的改变，虽然合金层中各种元素的含量基本在本申请的保护范围内，但其综合性能均小于实验例。

此外，实验例中的外观均一性较好，可参见图4，而对比例中的外观均一性普遍较差，图6是对比例1的外观电镜图，由此可见，其外观平整度较差。

其盐雾试验如下表所示：

由上表可知，实验例1在3500h后，仍然没有出现红锈，其抗盐雾能力＞3500h；对比例6在3500小时出现红锈，其抗盐雾能力＞3000h，且小于3500h；对比例1、3和5，其均在2000h左右时出现大量的白锈，3000h出现了明显的红锈，其抗盐雾能力＜3000h；对比例2和对比例4在2000h便出现了红锈，其抗盐雾能力＜2000h。

需要说明的是，本申请渗剂中各个组分的含量是根据各种组分之间的相互作用或相互制约等特点而设置的，其共同作用实现了本申请中的效果，因此，对于锰元素是本申请中的重要组分，其若无法正常渗入或渗入量很少，则对弹条的性能影响较大。其实，若合金层中本来就不含有锰，那么通过调整其他组分的比例和辅剂的类型加量等，也能实现较佳的性能。但根据弹条的作用等，申请人通过试验、研发，发现加入锰的综合性能更好。因此，在加入锰的前提下，研究试验采用什么形式加入锰以及其他组分的配比等，若配比或其他组分不合适，则性能差异极大。故在本申请的条件下，如大幅度的调整某一种组分的量或少加入以及替换某一种或某几种组分，极有可能会对弹条性能产生极大影响。

实施例6

实验例：与实施例4中的实验例1一样。

对比组1：多元粉末渗剂：锌粉50份、锌铝合金粉45份、铝镁合金粉23份、活化剂3份、氧化镧0.4份、分散剂25份。其他与实验例1一致。

对比组2：多元粉末渗剂：锌粉50份、锌铝合金粉5份、铝镁合金粉5份、活化剂3份、氧化铈0.4份、分散剂25份。

对比组3：多元粉末渗剂：锌粉35份、锌铝合金粉5份、铝镁合金粉5份、活化剂3份、氧化镧0.4份、分散剂25份。

对比组4：多元粉末渗剂：锌粉50份、锌铝合金粉45份、铝镁合金粉13份、活化剂3份、氧化镧0.4份、分散剂25份。活化剂为氯化铵和高锰酸钾，在该活化剂中，高锰酸钾的占比为58wt％，氯化铵为42％

上述对比组的其他部分(包括制备方法)均与实验组1一致，下面测其硬度和中性抗盐雾能力。

上述对比组中的合金层金属含量均与本申请所保护的范围均不一致，即不在本申请实施例1或权利要求1的范围内。对比组整体的抗腐蚀能力弱。对比例1中的镁和铝含量大大提高，且主要集中在表层和10μm的深度范围内，并出现局部镁含量过剩，影响性能，且其浪费严重，成本高。

对比例2中的镁和铝含量大大降低，综合性能降低。

对比例3中锌粉大大降低，其合金层中渗入的金属组分主要集中在20μm以内，整体的合金厚度小，基本为10-30之间，且硬度大大减少，抗腐蚀能力弱。

对比例4的硬度下降，塑性显著降低，在车辆通过时，瞬时冲击的承受力下降，容易损坏。且对比例3和2的瞬时冲击的承受力也明显下降。

因此，在本申请中，各种组分以及各种组分的量均是相辅相成的，若减少、增加或替换某一组分均会对弹条性能有较大影响。

在本发明中，还需要说明的是，能够影响渗入金属元素后的弹条性能的因素有多个，不仅与合金层的金属元素比例相关，其还与扩散或渗入有极大关系，如与本实施例同样的金属含量，但若其渗入不均匀，存在某些部分沉积较多，而其它部分太少等情况，那么可能对金属的改善性能极弱，有时甚至不仅不会改善金属表层的性能，反而还降低了其性能。而且，同样的金属含量，若渗入的深度太浅，那么也会大大影响金属的性能。而本申请中的弹条类型，配合本申请中的渗剂，能够实现同步渗入、深度渗入，且从表层至合金层的内层之间，各金属较为均匀的减少，不会出现局部某种金属过甚的情况，且通过特定条件下加入氯化铵和高锰酸钾的方式，使得锰得渗入又极大的与铁和镁复合，形成了增加金属性能的合金层，极大的较少或避免了镁可能带来的副作用以及弹条中铁的危害。再配合本申请的方法，效果更佳。

在本发明中，所有原料粉末均为市场产品，正常购买便可，包括锌铝合金粉和铝镁合金粉等合金粉末，均可购买获得。

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。