一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，包括以下步骤：预处理，采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒；镀钛，通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒；带有梯度功能材料层钢棒的制备，将镀钛处理后的镀钛钢棒采用高温镀硼或采用低温镀硼制备带有梯度功能材料层的钢棒。有益效果：通过在钢棒的表面形成TiB

A surface treatment process for improving corrosion resistance of cathode steel bar in aluminum electrolysis

【技术实现步骤摘要】
一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺
本专利技术涉及表面处理
，具体来说，涉及一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺。
技术介绍
铝以比重小、强度高、导电导热性能优良、抗腐蚀性能高等特性而在交通运输、电力、机械制造、建材和包装等多方面得到了广泛应用。我国历年铝产量居世界前列，电解铝工业已然成为我国工业耗电大户。与此同时国家进一步促进产业结构调整，积极引导铝行业进行节能降耗，淘汰落后电解铝产能。目前电解铝工业基本采用冰晶石-氧化铝熔盐电解法，主要设备为铝电解槽（图4）。在电解过程中，电流从阳极流入，依次通过电解质、铝液、阴极炭块，再由阴极钢棒导入母线。阴极作为电解槽设备的重要组成，也是电解槽无效能耗损失的重要部分。铝液层压降、阴极炭块压降与阴极导电钢棒压降之和构成了阴极压降。阴极炭块与钢棒之间的连接对于阴极压降至关重要。而阴极钢棒长年处于900～1000℃下，且与阴极炭块紧密接触。钢棒表面出现严重渗碳，致使钢棒电阻升高，阴极无效能耗增加。前人研究表明，通过改变阴极导电用材，如采用电导率相对较高的工业纯铁作为阴极导电材料，在电解槽开槽初期，可在一定程度上降低阴极能耗。但纯铁等不能持续保持较好的导电性，同样易渗碳造成导电性能恶化、电解槽无效能耗增加。因此，迫切需要一种方法防止阴极导电钢棒渗碳，阻止铝电解阴极用钢导电性能恶化。目前常规表面处理工艺如镀层（镀硬铬、化学镀镍磷、刷镀特种合金等）渗层（渗氮、硼、硫等）激光选区熔化和气相沉积等，这类方法在钢材表面形成的均质组织层可提高其强度、耐磨性等，或者可以在一定程度上阻止钢材渗碳，但对钢材的导电性能存在不利影响。在考虑高温使用环境与导电性的前提下，钛与硼化钛成为钢表面镀层材料首选。钛耐高温、强度高、延展性好，且与钢可形成较牢固的结合层。目前镀钛方法较为成熟，主要有：磁控溅射法、离子注入、物理气相沉积、电火花沉积、激光选区熔化等。硼化钛作为一种新型的陶瓷材料，具有极其优异的性能，如具有极高的熔点与硬度、极好的化学稳定性和优异的导热性能，尤其具有较好的导电性能。研究表明硼化钛作为阴极涂层材料，可降低电耗、延长铝电解槽阴极寿命。且硼化钛较为稳定，不与碳发生反应。因此，硼化钛可以作为一种铝电解槽阴极用钢棒表面镀层，从而防止钢棒渗碳，且不影响钢棒的电导率。目前，将硼化钛沉积到钢表面的方法主要有电火花沉积与激光选区熔化技术。但其成本高，针对批量处理大尺寸铝电解阴极用钢加工有难度。此外，若仅在钢表面单独镀钛或者镀硼化钛，会出现以下问题：钛在高温下易与碳生成碳化钛，其导电性较差；而硼化钛热膨胀系数（4.6～7.8×10-6/℃）小于钢的热膨胀系数（10.6～12.2×10-5/℃），在温度波动时，镀层与基体因性能不匹配易受到张力破坏。究其原因，这些方法均通过在钢表面增加一层均质组织，但该均质组织与钢基体之间存在性质功能差异，且二者间的宏观界面也是影响导电性的关键因素。故应在选材和工艺上尽量减少镀层与基体在热膨胀系数上的差别，消除宏观界面。同时防止镀层在高温环境下与阴极炭块发生反应。另一方面，钛、钢表面镀硼工艺主要有：盐浴渗硼、熔盐电镀技术等，该类技术对于批量表面处理大尺寸铝电解阴极用钢具有明显优势。因此，本专利技术提出了一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺来解决相关技术中的问题。
技术实现思路
（一）解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，具备防止钢棒表面渗碳的优点，进而解决
技术介绍
中的问题。（二）技术方案为实现上述具备防止钢棒表面渗碳的优点，本专利技术采用的具体技术方案如下：根据本专利技术的一个方面，提供了一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，包括以下步骤：预处理：采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒；镀钛：通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒；高温镀硼：采用预设方法对所述镀钛钢棒进行镀硼处理，制备带有梯度功能材料层的钢棒。作为优选的，采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒具体包括以下步骤：采用钢刷刷洗、砂纸打磨等方法对预置的待处理钢棒的表面进行初步处理；通过除油液对所述初步处理后的钢棒进行清洗除油处理；采用浸蚀液对所述清洗除油后的钢棒进行酸洗处理；对所述酸洗处理后的钢棒进行清洗吹干处理，并将所述清洗吹干后的钢棒作为待用钢棒。通过上述处理，去除钢棒表面杂物，使基体裸露，表面无油等有机物，以便后续进行镀钛；通过对酸洗后的钢棒清洗，是为了去除表面酸液，防止腐蚀，以及影响后续工艺。作为优选的，通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒具体包括以下步骤：采用磁控溅射法、离子注入、物理气相沉积、激光选区熔化、电火花沉积等技术在所述待用钢棒的表面形成一层厚度约5～100μm的钛层，得到镀钛钢棒。通过上述处理，使钢棒表面生成一层符合要求的钛层，作为后续制备梯度功能材料的原料；此外，钛层在此处也充当过渡层，可以有效防止在温度变化情况下，TiB2与钢因为热膨胀系数差异，而出现裂纹。作为优选的，采用预设方法对所述镀钛钢棒进行镀硼处理，制备带有梯度功能材料层的钢棒具体包括以下步骤：在850～1100℃的温度下，通过激光选区熔化、电火花沉积、盐浴渗硼、熔盐电镀等技术对所述镀钛钢棒进行镀硼处理得到镀硼钢棒，并放置0.5～4h，以使硼向内扩散，得到带有Ti-TiB-TiB2梯度功能材料层的钢棒。通过上述处理，使镀钛钢棒表面生成一层符合要求的硼层，作为后续制备梯度功能材料的原料。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：预处理：采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒；镀钛：通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒；低温镀硼：采用预设方法对所述镀钛钢棒进行镀硼处理，制备镀硼钢棒；梯度功能材料层的制备：将所述镀硼钢棒置于预设温度的保护氛围中放置，制备带有梯度功能材料层的钢棒。具体的，因为低温镀硼工艺所生成的硼层，其热力学及动力学条件不足以满足B渗透Ti层形成符合要求的梯度功能材料层，故而通过该步骤提供B渗透以及与Ti反应的必要条件。作为优选的，采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒具体包括以下步骤：采用钢刷刷洗、砂纸打磨等方法对预置的待处理钢棒的表面进行初步处理；通过除油液对所述初步处理后的钢棒进行清洗除油处理；采用浸蚀液对所述清洗除油后的钢棒进行酸洗处理；对所述酸洗处理后的钢棒进行清洗吹干处理，并将所述清洗吹干后的钢棒作为待用钢棒。通过上述处理，除钢棒表面杂物，使基体裸露，表面无油等有机物，以便后续进行镀钛；通过对酸洗后的钢棒清洗，是为了去除表面酸液，防止腐蚀，以及影响后续工艺。作为优选的，通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒具体包括以下步骤：采用磁控溅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：/n预处理：采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒；/n镀钛：通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒；/n高温镀硼：采用预设方法对所述镀钛钢棒进行镀硼处理，制备带有梯度功能材料层的钢棒。/n

【技术特征摘要】
1.一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
预处理：采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒；
镀钛：通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒；
高温镀硼：采用预设方法对所述镀钛钢棒进行镀硼处理，制备带有梯度功能材料层的钢棒。


2.根据权利要求1所述的增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，其特征在于，采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒具体包括以下步骤：
采用钢刷刷洗、砂纸打磨等方法对预置的待处理钢棒的表面进行初步处理；
通过除油液对所述初步处理后的钢棒进行清洗除油处理；
采用浸蚀液对所述清洗除油后的钢棒进行酸洗处理；
对所述酸洗处理后的钢棒进行清洗吹干处理，并将所述清洗吹干后的钢棒作为待用钢棒。


3.根据权利要求1所述的增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，其特征在于，通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒具体包括以下步骤：采用磁控溅射法、离子注入、物理气相沉积、激光选区熔化、电火花沉积等技术在所述待用钢棒的表面形成一层厚度约5～100μm的钛层，得到镀钛钢棒。


4.根据权利要求1所述的增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，其特征在于，采用预设方法对所述镀钛钢棒进行镀硼处理，制备带有梯度功能材料层的钢棒具体包括以下步骤：在850～1100℃的温度下，通过激光选区熔化、电火花沉积、盐浴渗硼、熔盐电镀等技术对所述镀钛钢棒进行镀硼处理得到镀硼钢棒，并放置0.5～4h，以使硼向内扩散，得到带有Ti-TiB-TiB2梯度功能材料层的钢棒。


5.一种增强铝电解阴极钢棒耐腐蚀性能的表面处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
预处理：采用预设方法对待处理钢棒的表面进行预处理，制备待用钢棒；
镀钛：通过预设方法对所述待用钢棒进行镀钛处理，制备镀钛钢棒；
低温镀硼：采用预设方法对所述镀钛钢棒...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涛，谭敏，商志强，严建川，侯青青，高福朋，周强，郭晓培，朱玉麟，崔贺楠，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50