溫度對(duì)35CrMo熱浸鍍鋁鍍層性能影響研究

張強(qiáng)，郭麗娟，張瀟華，譚哲，秦鵬，劉高旭，徐鵬飛

中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東東營(yíng)257061

溫度對(duì)35CrMo熱浸鍍鋁鍍層性能影響研究

張強(qiáng)，郭麗娟，張瀟華，譚哲，秦鵬，劉高旭，徐鵬飛

中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東東營(yíng)257061

抽油桿因其材質(zhì)35CrMo存在腐蝕問題，容易造成大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。用熱浸鍍鋁工藝方法對(duì)抽油桿進(jìn)行鍍鋁，可提高其耐蝕性能。通過多次試驗(yàn)室試驗(yàn)，確定了35CrMo熱浸鍍鋁工藝中的助鍍劑和覆蓋劑，使用金相顯微鏡對(duì)其鍍層進(jìn)行微觀組織分析，并用測(cè)厚儀測(cè)定了鍍層厚度，重點(diǎn)研究了熱浸鍍溫度對(duì)其組織結(jié)構(gòu)的影響，并確定了浸鍍時(shí)間為360 s時(shí)，熱浸鍍最合適溫度為740℃，優(yōu)化了工藝參數(shù)，得到了性能良好的鍍層，該技術(shù)可有效提高材質(zhì)為35CrMo抽油桿的耐腐蝕性。

35CrMo；熱浸鍍；抽油桿

35CrMo主要用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機(jī)器中的重要零件，常用作抽油桿的材料；因?yàn)槌橛蜅U工作時(shí)處在易腐蝕的環(huán)境中，且受到流體流動(dòng)和磨粒磨損的作用，加劇其腐蝕并容易產(chǎn)生腐蝕疲勞、沖刷腐蝕等[1]，存在很大的安全隱患，易造成大的經(jīng)濟(jì)損失。

鋼鐵是工業(yè)建設(shè)中的一種重要的基礎(chǔ)材料，其腐蝕一直是困擾人們的主要問題[2-3]。熱浸鍍鋁是一項(xiàng)對(duì)鋼鐵的表面進(jìn)行強(qiáng)化、表面防護(hù)和表面裝飾的工藝技術(shù)。鋼鐵在熱浸鋁后可以增強(qiáng)其耐腐蝕、耐熱等諸多性能，從而延長(zhǎng)鋼鐵件的使用壽命，降低因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。本文通過試驗(yàn)研究35CrMo熱浸鍍鋁工藝，分析熱浸鍍溫度對(duì)鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高了金屬材料的耐蝕性，得到性能良好的鍍層，有效提高抽油桿的性能。目前國(guó)內(nèi)對(duì)抽油桿35CrMo熱浸鍍鋁工藝的研究較少。

1 試驗(yàn)方法

調(diào)質(zhì)態(tài)35 CrMo，試樣為φ28.5 mm×3 mm的薄圓片；熱浸鍍鋁鍍液為工業(yè)純鋁，采用熔劑法進(jìn)行熱浸鍍鋁，再取其橫截面，制成金相試樣；用MDJ200型金相顯微鏡對(duì)鍍層微觀形貌進(jìn)行觀察；用測(cè)厚儀測(cè)定鍍層的厚度。

1.1 工藝流程

制作試樣→除油→水洗→除銹→水洗→助鍍處理→烘干→熱浸鍍鋁（表面覆蓋劑）→空冷→磨樣→觀察形貌。

（1）除油。采用丙酮浸泡試樣10 min，實(shí)現(xiàn)除油。

（2）除銹。試樣除銹是采取酸洗的方法，即在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液中浸泡2 min。

（3）助鍍。助鍍是除去經(jīng)酸洗活化后金屬表面因?yàn)檠趸a(chǎn)生的少量氧化皮，增強(qiáng)鍍層對(duì)基體材料的附著力，改善鍍液與金屬表面的浸潤(rùn)性，降低熔融金屬的表面張力。

（4）表面覆蓋。鋁液在高溫下非常容易被氧化，所以在熔融的鋁液表面覆蓋一層表面熔劑防止鋁的氧化，而且需滿足以下幾個(gè)基本條件：一是密度小，浮于鋁液表面上；二是具有溶解Al2O3的能力；三是熔點(diǎn)要相對(duì)低于鋁的熔點(diǎn)680℃；四是流動(dòng)性好；五是不老化，不蒸發(fā)。經(jīng)試驗(yàn)研究，確定使用質(zhì)量比為1：1的KF和NaCl混合物作為覆蓋劑。

資料表明浸鍍溫度和浸鍍時(shí)間對(duì)鍍層性能都有重要影響，本試驗(yàn)先選定浸鍍時(shí)間，再設(shè)置不同的試驗(yàn)溫度，重點(diǎn)研究溫度的影響。

1.2 工藝參數(shù)

經(jīng)多次試驗(yàn)選定熱浸鍍鋁浸鍍時(shí)間為360 s。根據(jù)純鋁的熔點(diǎn)和本著節(jié)能的角度出發(fā)，本試驗(yàn)設(shè)定熱浸鍍鋁的溫度分別為700、720、740、760、780℃。

將試樣以一定的速度緩慢浸入設(shè)定溫度的熔融鋁液中；進(jìn)行輕微振蕩，用來除去附著在待鍍鋁表面的氣泡，以防止漏鍍；撥去覆蓋劑；緩慢勻速提拉試樣，使其表面鋁層厚度基本保持相同；置于空氣中冷卻。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 熱浸鍍鋁溫度對(duì)鍍層微觀形貌的影響

圖1為熱浸鍍時(shí)間為360 s時(shí)，不同溫度下35CrMo試樣鍍層的微觀形貌圖。

圖1 不同溫度下35CrMo試樣鍍層的微觀形貌圖

圖（a）為700℃時(shí)的微觀形貌圖，可看出鍍層中鋁層的厚度較薄且厚度不夠均勻，而合金層的厚度同樣也比較??；圖（b）為720℃時(shí)的微觀形貌圖，鍍層中鋁層的厚度有所增加，并且比較均勻，而合金層的厚度較700℃明顯增加；圖（c）為740℃時(shí)的微觀形貌圖，鋁層的厚度還在持續(xù)增加，厚度均勻，幾乎無漏鍍現(xiàn)象，合金層的厚度增加顯著；圖（d）為760℃時(shí)的微觀形貌圖，鋁層中出現(xiàn)了輕微孔洞，鋁層和合金層的厚度增加不明顯；圖（e）為780℃時(shí)的微觀形貌圖，圖中顯示，漏鍍和孔洞現(xiàn)象較嚴(yán)重，鋁層和合金層的厚度增加更加不明顯。

綜合上述分析，隨著熱浸鍍溫度的升高，鍍層的厚度均不相同，鍍層與基體之間的過渡越來越平滑。

圖2為熱浸鍍時(shí)間為360 s時(shí)鍍層厚度隨浸鍍溫度變化的規(guī)律曲線。

從圖2中可以更清楚地看出，鍍層的厚度隨著熱浸鍍溫度的升高而不斷地增大。結(jié)合圖1和圖2分析，當(dāng)熱浸鍍溫度在700～720℃區(qū)間段時(shí)，鍍層的厚度比較小，且鍍層的鋁層組織不均勻；當(dāng)熱浸鍍溫度在720～760℃之間時(shí)，鍍層質(zhì)量良好，沒有出現(xiàn)空洞和裂紋；在700～760℃時(shí)鍍層厚度隨熱浸鍍溫度增大，然而卻在760～780℃溫度范圍內(nèi)厚度增加幅度明顯降低；且當(dāng)溫度達(dá)到了780℃時(shí)，鍍層中出現(xiàn)了漏鍍和孔洞等缺陷。

分析原因可知：鋁液黏度會(huì)因?yàn)闊峤儨囟鹊脑黾佣档?。?dāng)熱浸鍍溫度在760～780℃范圍內(nèi)變化時(shí)，鋁液的黏度較700～760℃范圍內(nèi)的小，流動(dòng)性強(qiáng)。當(dāng)試樣從鋁液中提取出來時(shí)，會(huì)因?yàn)殇X液的黏度很小，而導(dǎo)致鋁液不易粘附在試樣表層，從而使得在760～780℃比700～760℃范圍內(nèi)鍍層厚度增加幅度明顯降低。

圖2 鍍層厚度隨浸鍍溫度的變化規(guī)律

綜合上述可以得出，溫度對(duì)鍍層厚度具有重要作用，其作用效果頗為明顯。綜合試驗(yàn)結(jié)果考慮，熱浸鍍溫度不能太高也不能太低，在本試驗(yàn)條件下，熱浸鍍鋁的溫度為740℃時(shí)，效果最好。

2.2 鍍層的組織結(jié)構(gòu)分析

熱浸鍍鋁的鍍層主要由內(nèi)層合金層和外層鋁層兩部分組成。以740℃、360 s條件下浸鍍層截面組織形貌為例（見圖3）。

圖3 740℃、360 s下浸鍍層截面組織形貌圖

可以看出，鍍層分布非常均勻而且與基體附著良好。在鋁層與基體之間的淺灰色區(qū)域是基體中的Fe元素和鋁液中的Al元素的相互擴(kuò)散，形成Fe-Al金屬間化合物的合金層，金屬間化合物為Fe2Al和FeAl3，其中以Fe2Al為主；與內(nèi)層合金層相鄰的外層為鋁層，主要由鋁和針狀Fe-Al組成，且鋁層呈“條帶狀”，與合金層的界面比較平緩。此外圖3中還可以清晰地看到基體層、合金層、鋁層的交界面，合金層內(nèi)部呈微小“鋸齒狀”伸入基體，且過渡比較平滑，沒有很大的起伏；外部鋁層與合金層厚度都較為均勻，而且其界面非常清晰。這是因?yàn)樵嚇咏氲戒X液中，液態(tài)鋁跟固態(tài)鐵接觸的時(shí)候，鋁液短時(shí)間內(nèi)在鐵表面浸潤(rùn)漫流，從而形成一層緊密且與基體材料結(jié)合良好的鍍層。

此外，在圖3浸鍍層截面組織形貌圖中出現(xiàn)一小裂紋，擬通過擴(kuò)散退火工藝來消除產(chǎn)生的裂紋，穩(wěn)定均勻化組織。

3 結(jié)論

本文研究了熱浸鍍溫度對(duì)鍍層微觀形貌以及鍍層厚度的影響規(guī)律，對(duì)鍍層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

（1）熱浸鍍時(shí)間為360 s時(shí)，鍍層厚度隨著溫度的升高而逐漸增加，在740℃之前鍍層厚度顯著增加，而在740℃之后增加緩慢，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）浸鍍溫度對(duì)鍍層厚度具有決定性的作用，浸鍍溫度為740℃時(shí)，鍍層質(zhì)量最佳，效果最好。

（3）鍍層結(jié)構(gòu)分為外層鋁層和內(nèi)層合金層兩部分，外層鋁層主要是由鋁和針狀Fe-Al組成，內(nèi)層合金層則為Fe-Al金屬間化合物。

[1]肖罡，上官琪，陸宇衡，等.鋼材熱浸鍍鋁及其應(yīng)用[J].大眾科技，2009（8）：123-124.

[2]吳迪，劉炳，易大偉.熱浸鍍鋁技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].電鍍與精飾，2008，30（2）：7-10.

[3]華勤，戚飛鵬.鋼鐵零件熱浸鍍鋁技術(shù)的發(fā)展[J].機(jī)械工程材料，1995，19（1）：32-34.

[4]李磊.22MnB5熱浸鍍鋁鋼焊接特性及耐蝕性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[5]李凌.鋼鐵表面熱浸鍍鋁新工藝及鍍層厚度控制模型研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

Research on hot dip aluminizing process for sucker rod material35CrMo

ZHANG Qiang，GUO Lijuan，ZHANG Xiaohua，TAN Zhe，QIN Peng，LIU Gaoxu，XU Pengfei
ShangliCollege，China University of Petroleum，Dongying 257061，China

Because of corrosion of sucker rod material 35CrMo，great hidden safety trouble and economic loss are easy to occur.The hot dip aluminiging process can improve anticorrosion of 35 CrMo.Through a number of laboratory tests，the plating and covering agents in the hot dip aluminizing process were determined.The coating microstructure was analyzed by using metallographic microscope and the coating thickness was measured by thickness gauge.Influence of the hot dip temperature on the microstructure was studied and the most appropriate temperature for immersion time of 360 s was determined to be 740℃.The process parameters were optimized and the coating with good property was obtained，which can effectively increase anticorrosion of the sucker rod material35CrMo.

35CrMo；hot dipping；sucker rod

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.005

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201613386024）；中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助。

張強(qiáng)（1994-），男，山東壽光人，中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)在讀本科生。Email：903649362@qq.com

2017-02-06