20鋼基體表面熱浸鍍鋁+微弧氧化復合處理研究

黃元林， 孫曉峰， 李占明， 宋 巍

(裝甲兵工程學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+微弧氧化復合處理研究

黃元林， 孫曉峰， 李占明， 宋 巍

(裝甲兵工程學院裝備維修與再制造工程系， 北京 100072)

針對大功率柴油發動機排氣管的隔熱層損傷問題，首先采用熱浸鍍技術在20鋼基體表面制備了鋁涂層，然后采用微弧氧化技術對鋁涂層進行了氧化處理，形成了復合陶瓷涂層體系，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導熱儀對該涂層體系分別進行了表面形貌與組織結構觀察、物相分析和熱導率檢測。結果表明：從宏觀上，涂層表面較平整，無漏鍍現象，微觀上分布有大量微弧孔，但無微裂紋現象；從剖面來看，復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；復合陶瓷層的主要物相組成為Al、α-Al2O3、Al86Fe14和Fe，其導熱率可達20.06 W/(m·℃)。

20鋼； 熱浸鍍鋁； 微弧氧化； 陶瓷涂層； 導熱率

艦船用等大功率柴油發動機排氣管長期在高溫、高鹽霧等惡劣環境下工作，不可避免地會出現損傷[1]，如能采取有效的技術手段，使排氣管本身的耐高溫、耐鹽霧腐蝕性能增強，隔熱效果提升，將會避免因隔熱層損傷而產生的不良后果，延長排氣管的使用壽命。熱浸鍍鋁是應用最廣泛的技術之一，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]。微弧氧化技術是將鋁、鎂、鈦等有色金屬材料表面陶瓷化的技術，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，當電壓超過某一臨界值時，絕緣膜上無數薄弱部位被擊穿，發生微弧放電而快速生成一層陶瓷膜，該陶瓷膜具有優異的耐蝕、耐磨、耐熱及電絕緣性能[4-5]。若將熱浸鍍鋁技術與微弧氧化技術以適當的順序和方法相結合制備復合涂層，充分發揮2種技術的優點，在排氣管的內、外表面制備出復合涂層，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+微弧氧化復合涂層，研究其組織結構與性能，為該技術的推廣應用提供參考依據。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與設備

實驗基體材料為20鋼，加工成尺寸為20 mm×30 mm×4 mm的試塊，試塊6個面經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工業純鋁錠(純度≥99.5%)，設備為自制井式電阻爐。微弧氧化實驗采用自制的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型場發射掃描電子顯微鏡(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)對復合處理試樣進行表面物相分析，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瞬態平面熱源法導熱儀測量試樣熱導率，室溫，探頭直徑為15 mm，精度±3%，重復性誤差≤3%。

1.2 實驗方法

1.2.1 熱浸鍍方法

采用溶劑法對20鋼基體表面進行熱浸鍍鋁。首先,采用適當的堿酸溶液對基體進行除油、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，以保護基材表面不被氧化污染；最后，當被包覆這種溶劑薄膜的基材浸入鋁熔融浸滲液中時，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定性；NaOH適量，為添加成分，起到調節溶液pH值、增加溶液電導率的作用，同時降低反應時的起弧電壓。

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

2 實驗結果與討論

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，無針眼和漏鍍現象，顏色呈深灰色。

圖1 20鋼復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。

圖2 20鋼復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+微弧氧化復合處理后試塊剖面形貌SEM圖，可以看出：1)復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，厚薄稍有不均，未出現脆裂現象，鋁層與鐵鋁合金層之間界面呈微細參差狀，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，鋁液與鋼基體發生部分融化及相互滲透，呈冶金結合。

圖3 20鋼復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+微弧氧化復合處理后試樣的XRD衍射圖譜，可見：復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[7-8]中的Fe2Al5。

圖4 20鋼復合處理后試樣XRD衍射圖譜

2.4 熱導率分析

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

表1 復合涂層試樣λ的測量結果(室溫25 ℃)

圖5 復合涂層試樣熱導率測量曲線

3 結論

1) 復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，與已有研究結果不同，其原因還有待于進一步研究。

2) 復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，厚薄稍有不均，未出現脆裂現象，鋁層與鐵鋁合金層界面呈微細參差狀，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生了相互熔合和擴散。

3) 復合涂層體系的導熱率隨表面陶瓷層厚度的增加而降低，且當陶瓷層厚度為25.6 μm時，可達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理分析及高溫腐蝕研究[J].材料保護,2002,35(9):7-9.

[2] 孫偉,蔡啟舟,羅強.RE對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.

[3] 劉雪民,易大偉,劉炳,等.熱浸鍍鋁技術的研究應用與發展[J].材料保護,2008,41(4):47-50.

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

[5] Xin S G,Sun L G,Zhou R G.Influence of Cathodic Current on Composition,Structure and Properties of Al2O3Coatings on Aluminium Alloy Prepared by Micro-arc Oxidation Process[J].Thin Solid Films, 2006,515(9):326-332.

[6] 吳笛.碳鋼熱浸鍍鋁工藝及抗高溫氧化腐蝕性能研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2008.

[7] 丁毅,魏無際,周永璋.Q235鋼熱浸滲鋁層的組織結構和耐高溫腐蝕性能[J].材料保護,2001,34(10):17-18.

[8] 周細枝.45鋼熱浸鍍鋁鍍層結構分析[J].湖北工業大學學報,2007,22(5):54-56.

(責任編輯: 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

軍隊科研計劃項目

黃元林(1971-)，女，助理研究員，碩士。

TG174.4

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.03.021