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

(燕山大學環境與化學工程學院,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

(燕山大學環境與化學工程學院,河北秦皇島 066004）

在Na2SiO3溶液中,采用微弧氧化技術將鋼鐵基體上的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極化曲線評價了Al-Ni陶瓷膜的耐蝕性;討論了Na2SiO3的質量濃度對陶瓷膜性能的影響。結果表明:Na2SiO3的質量濃度對該陶瓷膜的厚度、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鋼通常用來制造建筑構件、沖壓件、焊接件、鍛件等,是用途最廣的碳素結構鋼。因其鐵素體的質量分數高,塑性、韌性優良,且價格低廉,在國民經濟各部門得到了廣泛應用。但Q 235鋼易銹蝕、易磨損,在儲存和使用過程中往往造成巨大的經濟損失[1]。因而研究鋼鐵表面防護技術具有重要的意義。

微弧氧化是在陽極氧化基礎上發展起來的表面處理技術,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,促進了該技術在航空、電子、化工、紡織等工業領域的應用。本研究首先在經過預處理的鋼鐵基體上制備摻雜稀土鑭的鋁鍍層,然后對鍍層表面進行微弧氧化獲得陶瓷膜,有效提高了鋼鐵基體的耐蝕性,同時陶瓷膜的多功能性也提高了鋼鐵的使用價值。

1 實驗

1.1 實驗材料及方法

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

1.2 性能測試

在Na2SiO3溶液體系中,Al-Ni合金鍍片為陽極、不銹鋼槽為陰極,用循環水冷卻,采用 MAO 5000型脈沖氧化實驗電源進行微弧氧化。在質量分數為3.5%的NaCl溶液中,用CHI 704C型電化學工作站,采用三電極系,測定 Al-Ni陶瓷膜的Tafel極化曲線;采用 HCC-24型涂層測厚儀測定了陶瓷膜的厚度;采用 HX-500型顯微硬度計測定陶瓷膜的硬度;通過 KYKY-2800型掃描電鏡測定Al-Ni陶瓷膜的表面形貌。

2 結果與討論

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,沒有明顯熔融燒結痕跡。“火山口”就是成膜過程中能量密度集中的地方,是微弧氧化過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的質量濃度變化的曲線。從曲線上可以看出:當Na2SiO3的質量濃度為6～10 g/L時,陶瓷膜厚度變化接近于線性上升;當Na2SiO3的質量濃度為12 g/L時,鍍層的厚度達到最大值4μm;當Na2SiO3的質量濃度大于12 g/L時,陶瓷膜的厚度隨Na2SiO3的質量濃度的增加而減小。在微弧氧化過程中,電解液里的SiO2-3會被吸附到氧化膜的表面發生一系列復雜的反應。在一定范圍內,隨著SiO2-3的質量濃度的增加,更多的SiO2-3被吸附、參加反應,膜層生長速率加快,膜層厚度相應增大。當Na2SiO3的質量濃度繼續增大時,膜層厚度反而減小,可能是因為隨著膜層厚度的增加,電流不易擊穿膜層,減緩了膜層的生長。

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

圖2 Na2SiO3對Al-Ni陶瓷膜厚度的影響

圖3 Na2SiO3對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的質量濃度下制備的陶瓷膜在質量分數為3.5%的NaCl溶液中測得的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的質量濃度的變化對自腐蝕電流密度的影響沒有明顯規律性。當Na2SiO3的質量濃度為6 g/L時,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Na2SiO3的質量濃度為12 g/L時,所得陶瓷膜的自腐蝕電位較大,不易腐蝕;但此時膜層的自腐蝕電流密度較大,一旦發生腐蝕,腐蝕速率較快。

圖4 Al-Ni陶瓷膜的 Tafel曲線

表1 擬合數據

3 結論

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

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

[1] 劉寶俊.材料的腐蝕及其控制[M].北京:北京航空航天大學出版社,1989:1.

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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

·化學鍍·