20鋼基體表面熱浸鍍鋁+微弧氧化復(fù)合處理研究

黃元林， 孫曉峰， 李占明， 宋 巍

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

20鋼基體表面熱浸鍍鋁+微弧氧化復(fù)合處理研究

黃元林， 孫曉峰， 李占明， 宋 巍

(裝甲兵工程學(xué)院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

針對(duì)大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管的隔熱層損傷問題，首先采用熱浸鍍技術(shù)在20鋼基體表面制備了鋁涂層，然后采用微弧氧化技術(shù)對(duì)鋁涂層進(jìn)行了氧化處理，形成了復(fù)合陶瓷涂層體系，并利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)、X射線衍射儀(X-Ray Diffraction,XRD)及DZDR-S導(dǎo)熱儀對(duì)該涂層體系分別進(jìn)行了表面形貌與組織結(jié)構(gòu)觀察、物相分析和熱導(dǎo)率檢測(cè)。結(jié)果表明：從宏觀上，涂層表面較平整，無漏鍍現(xiàn)象，微觀上分布有大量微弧孔，但無微裂紋現(xiàn)象；從剖面來看，復(fù)合涂層從表至里分別由氧化鋁陶瓷層、鋁層和鐵鋁合金層組成；復(fù)合陶瓷層的主要物相組成為Al、α-Al2O3、Al86Fe14和Fe，其導(dǎo)熱率可達(dá)20.06 W/(m·℃)。

20鋼； 熱浸鍍鋁； 微弧氧化； 陶瓷涂層； 導(dǎo)熱率

艦船用等大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管長期在高溫、高鹽霧等惡劣環(huán)境下工作，不可避免地會(huì)出現(xiàn)損傷[1]，如能采取有效的技術(shù)手段，使排氣管本身的耐高溫、耐鹽霧腐蝕性能增強(qiáng)，隔熱效果提升，將會(huì)避免因隔熱層損傷而產(chǎn)生的不良后果，延長排氣管的使用壽命。熱浸鍍鋁是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，鋼鐵制件熱浸鍍鋁后具有良好的抗腐蝕、抗高溫氧化以及耐硫化物氣體腐蝕的能力[2-3]。微弧氧化技術(shù)是將鋁、鎂、鈦等有色金屬材料表面陶瓷化的技術(shù)，它是將基體浸于電解液中，通電后表面立即生成一層很薄的絕緣膜，當(dāng)電壓超過某一臨界值時(shí)，絕緣膜上無數(shù)薄弱部位被擊穿，發(fā)生微弧放電而快速生成一層陶瓷膜，該陶瓷膜具有優(yōu)異的耐蝕、耐磨、耐熱及電絕緣性能[4-5]。若將熱浸鍍鋁技術(shù)與微弧氧化技術(shù)以適當(dāng)?shù)捻樞蚝头椒ㄏ嘟Y(jié)合制備復(fù)合涂層，充分發(fā)揮2種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，在排氣管的內(nèi)、外表面制備出復(fù)合涂層，可顯著改善鋼基體的耐高溫、耐腐蝕及隔熱等性能。為此，筆者在20 鋼基體表面制備熱浸鍍鋁+微弧氧化復(fù)合涂層，研究其組織結(jié)構(gòu)與性能，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)基體材料為20鋼，加工成尺寸為20 mm×30 mm×4 mm的試塊，試塊6個(gè)面經(jīng)磨床或砂紙打磨至表面粗糙度(Ra)為0.1～0.2 μm。熱浸鍍材料為A0工業(yè)純鋁錠(純度≥99.5%)，設(shè)備為自制井式電阻爐。微弧氧化實(shí)驗(yàn)采用自制的XYMAO 100型微弧氧化電源，不銹鋼電解槽為陰極，試樣為陽極。

采用Nova Nano-SEM 650型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scannning Electron Microscopy, SEM)觀察試塊微觀形貌。采用XRD-6000型X射線衍射儀(X-Ray Diffraction, XRD)對(duì)復(fù)合處理試樣進(jìn)行表面物相分析，靶材為 Cu，波長為 0.154 nm，起始角度為30°，終止角度為85°，步長為0.02°。采用DZDR-S瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀測(cè)量試樣熱導(dǎo)率，室溫，探頭直徑為15 mm，精度±3%，重復(fù)性誤差≤3%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 熱浸鍍方法

采用溶劑法對(duì)20鋼基體表面進(jìn)行熱浸鍍鋁。首先,采用適當(dāng)?shù)膲A酸溶液對(duì)基體進(jìn)行除油、除銹處理，清除表面上的污垢和銹皮；然后，在其表面預(yù)浸涂助浸溶劑(ω(KF)=6%)，形成一層完整無隙的溶劑薄膜，以保護(hù)基材表面不被氧化污染；最后，當(dāng)被包覆這種溶劑薄膜的基材浸入鋁熔融浸滲液中時(shí)，溶劑膜溶解并自行脫除，基材的清潔表面立即被鋁液所潤濕，便形成了鋁鍍層[6]。具體工藝流程為：20鋼試樣打磨—堿洗脫脂—水洗—酸洗除銹—水洗—水溶液助鍍劑處理—干燥—熱浸鍍鋁—后處理—水洗—干燥。熱浸鍍鋁溫度為730 ℃，熱浸鍍時(shí)間為2 min。為了防止鋁液表面被氧化和影響熱浸鍍效果，鋁液表面需覆蓋一層1 cm厚的覆蓋劑(ω(KCl)=47%，ω(NaCl)=47%，ω(Na3AlF6)=6%)。

1.2.2 微弧氧化方法

已有研究[7]表明:磷酸鹽體系電解液具有較好的穩(wěn)定性，且生成的微弧氧化層具有良好的耐蝕性和綜合性能。所以，本研究采用Na5P3O10電解液作為基礎(chǔ)電解液。其中: Na5P3O10濃度為9 g/L;Na2MoO4濃度為2 g/L，用于提高氧化層的熱穩(wěn)定性；NaOH適量，為添加成分，起到調(diào)節(jié)溶液pH值、增加溶液電導(dǎo)率的作用，同時(shí)降低反應(yīng)時(shí)的起弧電壓。

微弧氧化工藝參數(shù)為:初始電壓200 V，電流密度15～40 A/dm，脈沖頻率200 Hz，占空比20%，處理時(shí)間30～45 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 表面宏觀與微觀形貌

圖1為20鋼熱浸鍍鋁+微弧氧化復(fù)合處理后試塊的表面宏觀形貌照片，可見：20鋼表面較平整，無針眼和漏鍍現(xiàn)象，顏色呈深灰色。

圖1 20鋼復(fù)合處理后試塊表面宏觀形貌照片

圖2為20鋼熱浸鍍鋁+微弧氧化復(fù)合處理后試塊的表面微觀形貌SEM圖，可見：20鋼表面分布有大量微弧孔，但無微裂紋出現(xiàn)。

圖2 20鋼復(fù)合處理后試塊表面微觀形貌SEM圖

2.2 剖面形貌

圖3為20鋼熱浸鍍鋁+微弧氧化復(fù)合處理后試塊剖面形貌SEM圖，可以看出：1)復(fù)合涂層體系從表至里分別為氧化鋁陶瓷層、鋁層、鐵鋁合金層，其厚度依次約為18、42、35 μm；2)氧化鋁陶瓷層連續(xù)，厚薄稍有不均，未出現(xiàn)脆裂現(xiàn)象，鋁層與鐵鋁合金層之間界面呈微細(xì)參差狀，鐵鋁合金層與鋼基體界面呈明顯的鋸齒狀，這說明在熱浸鍍過程中，鋁液與鋼基體發(fā)生部分融化及相互滲透，呈冶金結(jié)合。

圖3 20鋼復(fù)合處理后試塊剖面形貌SEM圖

2.3 物相成分

圖4為20鋼熱浸鍍鋁+微弧氧化復(fù)合處理后試樣的XRD衍射圖譜，可見：復(fù)合涂層體系的主要物相組成均為Al、α-Al2O3、Al86Fe14、Fe，且鐵鋁合金層為Al86Fe14，不同于文獻(xiàn)[7-8]中的Fe2Al5。

圖4 20鋼復(fù)合處理后試樣XRD衍射圖譜

2.4 熱導(dǎo)率分析

表1、圖5分別為復(fù)合涂層試樣熱導(dǎo)率λ的測(cè)量結(jié)果及其測(cè)量曲線,可以看出：復(fù)合陶瓷涂層試樣的λ隨表面陶瓷層厚度的增加而降低，當(dāng)陶瓷層厚度為25.6 μm時(shí)，λ=20.06 W/(m·℃)，與20鋼基體相比，降低了54%。

表1 復(fù)合涂層試樣λ的測(cè)量結(jié)果(室溫25 ℃)

圖5 復(fù)合涂層試樣熱導(dǎo)率測(cè)量曲線

3 結(jié)論

1) 復(fù)合涂層體系的主要物相組成均為Al、α-Al2O3、Al86Fe14、Fe，鐵鋁合金的物相組成則為Al86Fe14，與已有研究結(jié)果不同，其原因還有待于進(jìn)一步研究。

2) 復(fù)合涂層體系由表及里分別為氧化鋁陶瓷層、鋁層、鐵鋁合金層，其厚度依次約為18、42、35 μm；氧化鋁陶瓷層連續(xù)，厚薄稍有不均，未出現(xiàn)脆裂現(xiàn)象，鋁層與鐵鋁合金層界面呈微細(xì)參差狀，鐵鋁合金層與鋼基體界面呈明顯的鋸齒狀說明涂層與基體間發(fā)生了相互熔合和擴(kuò)散。

3) 復(fù)合涂層體系的導(dǎo)熱率隨表面陶瓷層厚度的增加而降低，且當(dāng)陶瓷層厚度為25.6 μm時(shí)，可達(dá)20.06 W/(m·℃)，比20鋼基體降低了54%。

[1] 王虹斌,李美栓,韓忠.艦船高溫排煙管腐蝕機(jī)理分析及高溫腐蝕研究[J].材料保護(hù),2002,35(9):7-9.

[2] 孫偉,蔡啟舟,羅強(qiáng).RE對(duì)熱浸鍍鋁組織及其耐腐蝕性能的影響[J].中國表面工程,2010,23(6):24-29.

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[4] 楊薇,蔣百靈,鮮林云,等.溶質(zhì)離子在鋁合金微弧氧化陶瓷膜形成過程中的作用機(jī)理[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2009,19(3):464-468.

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Study on Composite Treatment of 20 Steel Substrate by Hot Dip Aluminum and Micro-arc Oxidation

HUANG Yuan-lin, SUN Xiao-feng, LI Zhan-ming, SONG Wei

(Department of Maintenance and Remanufacture Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

In view of the serious surface hot-corrosion problem of the exhaust pipe of ship diesel engine, firstly the aluminium coating is made on the surface of 20 steel substrate by the hot dip aluminum technloogy, and then the oxidation processing is conducted by micro-arc oxidation, a multilayer composite ceramic coating system is obtained. The morphology, construction, phase analysis and thermal conductivity of the coating are investigated by SEM(Scanning Electron Microscopy), XRD(X-Ray Diffraction) and DZDR-S thermal conductivity instrument. The results show that the macro morphology of the coating is smooth and none-plating-leakage. The micro morphology of the coating shows lots of micro-arc holes and no micro-crack; from surface to inner, the composite coating includes Al2O3ceramic layer, aluminum layer and Fe-Al alloy layer; the main phase of the coating system is Al, α-Al2O3, Al86Fe14and Fe, and its thermal conductivity is 20.06 W/(m·℃).

20 steel; hot dip aluminum; micro-arc oxidation; ceramic coating; thermal conductivity

1672-1497(2015)03-0105-03

2015-03-03

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

黃元林(1971-)，女，助理研究員，碩士。

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.021