Q235鋼鐵/Al-Ni鍍層/微弧氧化陶瓷膜的性能研究

孫淑萍, 楊飛平, 劉銳杰

(燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,河北秦皇島 066004）

Q235鋼鐵/Al-Ni鍍層/微弧氧化陶瓷膜的性能研究

孫淑萍, 楊飛平, 劉銳杰

(燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,河北秦皇島 066004）

在Na2SiO3溶液中,采用微弧氧化技術(shù)將鋼鐵基體上的Al-Ni合金鍍層氧化為陶瓷膜。利用SEM觀察Al-Ni陶瓷膜的表面形貌;利用 Tafel極化曲線評(píng)價(jià)了Al-Ni陶瓷膜的耐蝕性;討論了Na2SiO3的質(zhì)量濃度對(duì)陶瓷膜性能的影響。結(jié)果表明:Na2SiO3的質(zhì)量濃度對(duì)該陶瓷膜的厚度、硬度、耐蝕性均有一定的影響。

Al-Ni合金鍍層;微弧氧化;陶瓷膜

0 前言

Q 235鋼通常用來(lái)制造建筑構(gòu)件、沖壓件、焊接件、鍛件等,是用途最廣的碳素結(jié)構(gòu)鋼。因其鐵素體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,塑性、韌性優(yōu)良,且價(jià)格低廉,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門得到了廣泛應(yīng)用。但Q 235鋼易銹蝕、易磨損,在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因而研究鋼鐵表面防護(hù)技術(shù)具有重要的意義。

微弧氧化是在陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的表面處理技術(shù),可在Al,Mg,Ti等鈍化型金屬及其合金表面獲得高硬度、耐蝕、極耐磨的微弧氧化膜[2-7]。膜層綜合性能顯著提高,促進(jìn)了該技術(shù)在航空、電子、化工、紡織等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本研究首先在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鋼鐵基體上制備摻雜稀土鑭的鋁鍍層,然后對(duì)鍍層表面進(jìn)行微弧氧化獲得陶瓷膜,有效提高了鋼鐵基體的耐蝕性,同時(shí)陶瓷膜的多功能性也提高了鋼鐵的使用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

試樣為35 mm×35 mm×1 mm的A3鋼片,經(jīng)除油、除銹等預(yù)處理后,在 KCl-NaCl-AlCl3-NiCl2熔鹽體系中獲得Al-Ni合金鍍層。電源為SMD-30型數(shù)控雙脈沖電鍍電源。

1.2 性能測(cè)試

在Na2SiO3溶液體系中,Al-Ni合金鍍片為陽(yáng)極、不銹鋼槽為陰極,用循環(huán)水冷卻,采用 MAO 5000型脈沖氧化實(shí)驗(yàn)電源進(jìn)行微弧氧化。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中,用CHI 704C型電化學(xué)工作站,采用三電極系,測(cè)定 Al-Ni陶瓷膜的Tafel極化曲線;采用 HCC-24型涂層測(cè)厚儀測(cè)定了陶瓷膜的厚度;采用 HX-500型顯微硬度計(jì)測(cè)定陶瓷膜的硬度;通過(guò) KYKY-2800型掃描電鏡測(cè)定Al-Ni陶瓷膜的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al-Ni陶瓷膜的表面形貌

圖1是在12 g/L的Na2SiO3溶液中制得的Al-Ni陶瓷膜表面形貌的掃描電鏡照片。從圖1(a）中可以看出:Al-Ni陶瓷膜表面組織整體較為均勻、平整,基本沒(méi)有表面附著物,表面比較干凈。從圖1(b）可以看出:除了有均勻的陶瓷微粒,還有分布均勻、直徑大約1～3μm的類似“火山口”的小孔。這些“火山口”的孔較小,在“火山口”的邊緣上,沒(méi)有明顯熔融燒結(jié)痕跡。“火山口”就是成膜過(guò)程中能量密度集中的地方,是微弧氧化過(guò)程中形成的放電通道。

圖1 Al-Ni陶瓷膜的表面形貌

2.2 Na2SiO3對(duì)Al-Ni陶瓷層的厚度和硬度的影響

圖2是Al-Ni陶瓷膜的厚度隨Na2SiO3的質(zhì)量濃度變化的曲線。從曲線上可以看出:當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為6～10 g/L時(shí),陶瓷膜厚度變化接近于線性上升;當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí),鍍層的厚度達(dá)到最大值4μm;當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度大于12 g/L時(shí),陶瓷膜的厚度隨Na2SiO3的質(zhì)量濃度的增加而減小。在微弧氧化過(guò)程中,電解液里的SiO2-3會(huì)被吸附到氧化膜的表面發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)。在一定范圍內(nèi),隨著SiO2-3的質(zhì)量濃度的增加,更多的SiO2-3被吸附、參加反應(yīng),膜層生長(zhǎng)速率加快,膜層厚度相應(yīng)增大。當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度繼續(xù)增大時(shí),膜層厚度反而減小,可能是因?yàn)殡S著膜層厚度的增加,電流不易擊穿膜層,減緩了膜層的生長(zhǎng)。

圖3是Al-Ni陶瓷膜的硬度隨Na2SiO3的質(zhì)量濃度變化的曲線。由圖3可知:Na2SiO3的質(zhì)量濃度在6～10 g/L范圍內(nèi),有一顯微硬度最小值;在10～14 g/L的范圍內(nèi),又有一最大值。根據(jù)Aleballa等人提出的雜質(zhì)中心放電模型,當(dāng)處理液的質(zhì)量濃度高于某一值時(shí),雜質(zhì)中心放電的波動(dòng)效應(yīng)會(huì)表現(xiàn)的很明顯,陶瓷膜的硬度等性質(zhì)也會(huì)隨之變化不定。

圖2 Na2SiO3對(duì)Al-Ni陶瓷膜厚度的影響

圖3 Na2SiO3對(duì)Al-Ni陶瓷膜硬度的影響

2.3 陶瓷膜的Tafel極化曲線的分析

圖4為在不同Na2SiO3的質(zhì)量濃度下制備的陶瓷膜在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中測(cè)得的Tafel曲線。表1為利用 Tafel斜率分析得到的各試樣的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位。由圖4和表1可以看出:Na2SiO3的質(zhì)量濃度的變化對(duì)自腐蝕電流密度的影響沒(méi)有明顯規(guī)律性。當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為6 g/L時(shí),所得陶瓷膜的自腐蝕電流密度最小,即:腐蝕速率最小,表明微弧氧化膜的耐蝕性較好。當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí),所得陶瓷膜的自腐蝕電位較大,不易腐蝕;但此時(shí)膜層的自腐蝕電流密度較大,一旦發(fā)生腐蝕,腐蝕速率較快。

圖4 Al-Ni陶瓷膜的 Tafel曲線

表1 擬合數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

(1）陶瓷膜的厚度隨Na2SiO3的質(zhì)量濃度的增加而增加,當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為12 g/L時(shí),陶瓷膜的厚度為4μm,達(dá)到最大;陶瓷膜的顯微硬度隨Na2SiO3的質(zhì)量濃度的變化波動(dòng)較大。

(2）Tafel極化曲線表明:當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為6 g/L時(shí),所得陶瓷膜的自腐蝕電流密度最小,耐蝕性最好。

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Q235 Steel/Al-Ni Plating/Study on Characteristics of Micro-arc Oxide Coating

SUN Shu-ping, YANG Fei-ping, LIU Rui-jie
(Environment and Chemical Engineering College,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

A dense oxide ceramic coating was prepared on the aluminum nickle alloy plated on steel surface by micro-arc oxidation(MAO）in Na2SiO3electrolytic solution.The surface morphology of Al-Ni ceramic coating were analyzed by SEM and the electrochemical features of the corrosion of ceramic coating were studied by potentio dynamic scanning(PDS）.Also the effects of treating solution concentration on growth rate,microhardness and corrosion of ceramic coating were tested.The experimental rusults show that the treating sdution concentration effects coating growth rate,microhardness and corrosion.

aluminum-nickle alloy coating;micro-arc oxidation;ceramic coating

TG 174

A

1000-4742(2011）06-0046-03

2011-01-25

·化學(xué)鍍·