38CrMoAl鋼表面不同厚度搪瓷涂層的組織和性能

，，，，

(1.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710061；2.寧波工程學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，寧波 315211)

0 引 言

近年來，隨著全球塑料產(chǎn)品消費(fèi)需求量的增長，注塑機(jī)的使用量大幅度增加。螺桿是注塑機(jī)的關(guān)鍵零部件，常用滲氮鋼(如38CrMoAl鋼)、40Cr鋼、不銹鋼等材料制造。在生產(chǎn)塑料制品的過程中，螺桿常處于高溫、高壓作用下，極易因磨損、腐蝕[1-2]而失效。目前，常采用氣體或離子滲氮、電鍍、冷/熱噴涂等表面處理方法來提高螺桿的耐磨和耐腐蝕性能。但是，表面鉻層因組織不均勻、與基體結(jié)合強(qiáng)度低而在工作中易發(fā)生局部脫落，導(dǎo)致螺桿和料筒的磨損或腐蝕；硬質(zhì)合金涂層具有很高的硬度，但是國產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，且耐腐蝕性能也不高；滲氮處理后螺桿的綜合性能較好，但滲氮鋼價(jià)格高，滲氮層抗氯化氫腐蝕能力弱。搪瓷材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在金屬表面涂覆搪瓷涂層既能保留金屬材料優(yōu)良的物理和力學(xué)性能，又能繼承搪瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐高溫、耐腐蝕等性能，而且搪瓷材料安全可靠、無危害，其他任何材料都很難同時(shí)具備這些特點(diǎn)。目前，搪瓷涂層在航天、化工等領(lǐng)域已得到較多應(yīng)用[3-5]。

為此，作者在38CrMoAl鋼表面制備不同厚度的搪瓷涂層，研究了涂層厚度對涂層微觀結(jié)構(gòu)、硬度、耐磨性和耐腐蝕性能的影響，為搪瓷涂層在注塑機(jī)螺桿表面的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

圖1 不同厚度搪瓷涂層試樣的截面OM形貌Fig.1 Cross-section OM morphology of samples with different thicknesses of enamel coating

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

基體材料為38CrMoAl鋼，調(diào)質(zhì)態(tài)，尺寸為28 mm×24 mm×3.5 mm，其化學(xué)成分如表1所示；涂層材料為商用A8005搪瓷粉，主要組成有氧化硅、硼砂、鉀長石、鈉長石、氧化鎳、氧化鈷等，由湖南立發(fā)釉彩科技有限公司提供。

表1 38CrMoAl鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of 38CrMoAl steel (mass) %

38CrMoAl鋼試樣經(jīng)脫脂噴砂處理，在丙酮溶液中超聲清洗15 min后，放入干燥箱中待用。稱取適量搪瓷粉，按照搪瓷粉與無水乙醇的質(zhì)量比為3.4∶1量取無水乙醇，在燒杯中用玻璃棒攪拌，再用保鮮膜密封后超聲攪拌20 min，得到搪瓷漿料。將載玻片搭接在38CrMoAl鋼試樣的四周，倒入搪瓷漿料，用刷子刮掉表面多余的漿料后，在45 ℃保溫30 min烘干，再置于MFLC-7/12A型箱式電阻爐中于900 ℃保溫45 min燒結(jié)，隨爐冷卻。通過改變載玻片疊放的數(shù)量將涂層的厚度分別控制在116，256，352，470 μm，誤差在±10 μm。

1.2 試驗(yàn)方法

使用Axio Observer ZIM型光學(xué)顯微鏡(OM)觀察涂層試樣的截面形貌。利用MH-5D型顯微硬度計(jì)測涂層表面硬度，載荷為0.98 N，保載時(shí)間為10 s。利用Hitachi S-4800型掃描電鏡(SEM)觀察涂層截面的微觀形貌，利用附帶的Bruker-5030型能譜儀(EDS)進(jìn)行微區(qū)成分分析。使用HT-1000型銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，溫度為室溫，采用干摩擦方式，載荷為10 N，磨損時(shí)間為30 min，轉(zhuǎn)速為637 r·min-1，配對摩擦副為直徑5 mm的Si3N4陶瓷球。使用Micro XAM-100型白光干涉儀測定磨痕輪廓，計(jì)算磨損體積V和磨損率mr，計(jì)算公式分別為

V=πdwt/2(1)

mr=wt/(2Fn)(2)

式中：w為磨痕寬度；t為涂層磨損厚度；πd為磨痕中間圓弧對應(yīng)的圓的周長；F為載荷；n為旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

使用YFJ-60型鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，腐蝕介質(zhì)為氯化鈉溶液，質(zhì)量濃度為(50±5) g·L-1，溫度為(35±1) ℃，腐蝕時(shí)間為144 min，試樣尺寸為28 mm×24 mm×3.5 mm，邊緣用膠帶保護(hù)，搪瓷層表面正對鹽霧流動方向。根據(jù)GB/T 6461-2002，以RP/RA來表征試樣的耐腐蝕性能，其中RP為保護(hù)評級，RA為外觀評級。RP計(jì)算公式為

RP=3(2-lgA)(3)

式中：A為基體金屬腐蝕面積占總腐蝕面積的分?jǐn)?shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 截面形貌

由圖1可以看出：隨著厚度的增加，搪瓷涂層中的氣孔數(shù)量先減后增。在燒結(jié)過程中，搪瓷涂層的流平性[6]和產(chǎn)氣量是影響搪瓷涂層氣孔數(shù)量的主要因素。厚度較薄時(shí)，搪瓷粉用量較少，產(chǎn)氣量也較少，且搪瓷釉料熔融時(shí)氣體更易逸出，但氣體逸出后留下的孔洞沒有足夠的瓷釉進(jìn)行填充；隨厚度增加，產(chǎn)氣量雖然增大，但熔融瓷釉可充分填充氣孔，因此氣孔數(shù)量減少；當(dāng)厚度過厚時(shí)，產(chǎn)氣量高且瓷釉不易燒透，其流平性較差，因此氣孔數(shù)量又增多。當(dāng)厚度為256 μm時(shí)，整個(gè)搪瓷涂層表面光滑致密，細(xì)膩度好，且氣孔數(shù)量最少。

由圖2可以看出，256 μm厚搪瓷涂層與38CrMoAl鋼基體的結(jié)合界面呈互相鑲嵌的齒狀嚙合，基體與瓷釉之間明顯有物質(zhì)的相互滲透，即瓷釉與基體之間通過機(jī)械嚙合力[7]和化學(xué)鍵力[8-9]形成了牢固結(jié)合。

由表2可以看出：靠近結(jié)合界面的基體(位置1)中含有鐵、硅、鎳、氧、鋁等元素，對比基體和搪瓷粉成分可知，熔融的搪瓷粉滲透到了基體中；靠近結(jié)合界面的搪瓷涂層(位置2)中含有硅、氧、鈦、鐵等元素，鐵元素的存在說明基體中的元素也擴(kuò)散進(jìn)入了涂層中。這種元素的相互擴(kuò)散有利于提高結(jié)合強(qiáng)度。

圖2 256 μm厚搪瓷涂層試樣的截面SEM形貌Fig.2 Cross section SEM morphology of sample with 256 μmthick enamel coating

表2 基體與搪瓷涂層結(jié)合界面處不同位置(見圖2)的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 EDS analysis results of different positions (shown in Fig.2) at bonding interface of substrate and enamel coating (mass) %

2.2 表面硬度

由圖3可以看出：隨著厚度的增加，搪瓷涂層的表面硬度先增后降。涂層的硬度與其致密程度有關(guān)，隨厚度的增大，搪瓷涂層中的氣孔數(shù)量呈先減后增的變化趨勢，即致密程度先增后降，因此涂層的表面硬度也先增后降。

圖3 搪瓷涂層的表面硬度隨厚度的變化曲線Fig.3 Surface hardness vs thickness curve of enamel coating

2.3 耐磨性能

由圖4可以看出,116 μm厚搪瓷涂層的摩擦因數(shù)在對磨過程中有較小波動,256 μm厚搪瓷涂層的摩擦因數(shù)最穩(wěn)定,352 μm和470 μm厚搪瓷涂層的摩擦因波動較大。256 μm厚搪瓷涂層內(nèi)的氣孔較少，涂層較致密，在對磨過程中涂層不易剝落[10]，因而摩擦因數(shù)曲線平穩(wěn)；而厚度過低或過高時(shí)搪瓷涂層中的氣孔均較多，在對磨過程中涂層極易剝落，因而摩擦因數(shù)曲線波動較大。

圖4 不同厚度搪瓷涂層的摩擦因數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線Fig.4 Friction coefficient vs wear time curves of enamelcoating with different thicknesses

由表3可知，搪瓷涂層的耐磨性隨厚度的增加先增后降，256 μm厚搪瓷涂層的耐磨性最好，其次為116 μm厚涂層的，這與硬度的變化趨勢一致。搪瓷涂層的硬度、與基體的結(jié)合強(qiáng)度是影響其耐磨性的主要因素。當(dāng)厚度為256 μm時(shí)，搪瓷涂層的硬度最大，與基體結(jié)合緊密，且涂層較致密，因而耐磨性最好；而厚度過低或過高都會導(dǎo)致搪瓷涂層疏松多孔,硬度降低，在摩擦過程中氣孔處的涂層更易剝落，因而耐磨性較差。

表3 不同厚度搪瓷涂層的磨痕寬度、磨損深度、摩擦因數(shù)與磨損率Tab.3 Grinding crack width, wear depth, friction coefficientand wear rate of enamel coating with different thicknesses

2.4 耐腐蝕性能

由圖5可以看出：鹽霧腐蝕68 h時(shí)，116 μm厚涂層的表面被腐蝕，腐蝕出現(xiàn)在表面氣孔處，其他厚度涂層的表面沒有明顯的腐蝕痕跡；鹽霧腐蝕144 h時(shí)，116 μm厚涂層表面被嚴(yán)重腐蝕(箭頭處)，其他厚度涂層表面仍沒有明顯的腐蝕痕跡。計(jì)算得到116 μm厚搪瓷涂層的RP/RA為9/2mA，即超過總面積0.1%的基體金屬被腐蝕，超過總面積20%的涂層受到中度腐蝕；256 μm厚搪瓷涂層的RP/RA為10/10vsB，即基體金屬和涂層均很難看到腐蝕痕跡;352 μm和470 μm厚搪瓷涂層的RP/RA均為10/9vsE，即未見基體金屬腐蝕，但涂層表面有輕度的點(diǎn)蝕。綜上所述，116 μm厚搪瓷涂層的耐腐蝕性能最差，256 μm厚搪瓷涂層的最好，352 μm和470 μm厚的次之。這是因?yàn)闅饪茁适怯绊懱麓赏繉幽透g性能最主要的因素[6]。厚度過薄使氣孔貫穿整個(gè)搪瓷涂層，腐蝕介質(zhì)通過氣孔直接侵蝕金屬基體；厚度適宜的涂層結(jié)構(gòu)較致密，能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)向基體表面的擴(kuò)散，保護(hù)基體不被腐蝕;當(dāng)厚度繼續(xù)增加時(shí)，耐腐蝕性能沒有明顯變化，這是因?yàn)殡m然厚度增加導(dǎo)致搪瓷涂層氣孔增多，但氣孔并沒有貫穿整個(gè)搪瓷涂層，搪瓷涂層對腐蝕介質(zhì)的阻擋作用依然存在。

3 結(jié) 論

(1) 在900 ℃保溫45 min燒結(jié)后，隨著厚度的增加，搪瓷涂層中的氣孔數(shù)量先減后增，當(dāng)厚度為256 μm時(shí)，涂層燒結(jié)致密性較好，表面光滑致密，內(nèi)

圖5 腐蝕不同時(shí)間前后不同厚度搪瓷涂層的表面形貌Fig.5 Surface morphology of enamel coating with different thicknesses before (a-d) and after (e-l) etching for different times

部氣孔數(shù)量最少。

(2) 隨著厚度的增加，搪瓷涂層的硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能均先增后降，且均在厚度為256 μm時(shí)達(dá)到最大，硬度為720 HV0.1，磨損率為2.9×10-13m3·N-1·m-1，耐腐蝕性能評級RP/RA為10/10vsB。

參考文獻(xiàn)：

[1] 駱芳，丁建波，孫東躍，等.激光合金化對注塑機(jī)螺桿使用壽命影響的研究[J].應(yīng)用激光，2006, 26(5): 323-326.

[2] 朱計(jì)，類彥威，文耀鋒，等.螺桿機(jī)筒表面處理的新方法及其工藝分析[J].橡塑技術(shù)與裝備，2007, 33(8):42-47.

[3] 侯海濤.掃描歐洲陶瓷釉料新技術(shù)[J].建材發(fā)展導(dǎo)向,2005(3):53-54.

[4] 於福海,劉軼，蔡起康.關(guān)于創(chuàng)新發(fā)展開辟搪瓷新產(chǎn)品[J].中國搪瓷,2000,21(3):7-10.

[5] 王恩澤,鮑崇高,邢建東.涂層對氧化鋁/耐熱鋼基復(fù)合材料磨料磨損性能的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 37(9):945-948.

[6] 夏艷紅.鋼鐵表面低溫搪瓷改性研究[D].長春：吉林大學(xué)，2010:31-33.

[7] PAPARAZZO E, FIERRO G, INGO G M, et al. Microchemistry and mechanisms of adherence in steel/enamel interfaces[J]. Journal of the American Ceramic Society,1988,71(12):494-497.

[8] BOROM M P, PASK J A. Role of “adherence oxides” in the development of chemical bonding at glass-metal interface[J]. Journal of the American Ceramic Society,1966,49(1):1-6.

[9] PASK J A, FULRATH R M. Fundamental of glass-to-metal bonding: VIII, nature of wetting and adherence [J]. Journal of the American Ceramic Society,1962,45(12):592-596.

[10] 張春華，楊洪剛，張松，等.氧化鈰對搪瓷涂層組織及摩擦磨損性能的影響[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2005,25(3):198-202.