熱浸鍍鋁/微弧氧化處理20鋼工藝方法及性能研究

宋 巍， 鄭才濤， 孫曉峰， 黃元林， 從眾帥

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院裝備保障與再制造系， 北京 100072； 2. 中國科協(xié)學(xué)會服務(wù)中心， 北京 100086)

受排氣管高溫、高鹽霧等惡劣工作環(huán)境影響，20鋼基體常在物理隔熱層老化破損后裸露，易產(chǎn)生磨損、腐蝕等損傷[1]，從而嚴(yán)重制約了發(fā)動機(jī)傳熱效率和排氣管等部件的使用壽命。國內(nèi)外大都采用多層阻隔防護(hù)和熱浸鍍防護(hù)的技術(shù)方法[2-7]改善在役20鋼耐高溫性能。由于熱浸鍍防護(hù)方法會使形成的鋁鍍層部分力學(xué)性能降低，因此可通過微弧氧化技術(shù)提高其力學(xué)性能和耐腐蝕性能[8-9]。黃元林等[1]前期已開展了熱浸鍍鋁/微弧氧化復(fù)合新技術(shù)在20鋼表面形成鋁-陶瓷復(fù)合層的工藝研究，其有效改善了基體熱導(dǎo)率，提高了材料表面的耐熱性能。基于此，筆者研究了熱浸鍍鋁/微弧氧化復(fù)合處理工藝對20鋼基體及鋁鍍層性能的影響，對比分析了微弧氧化過程中浸入式和噴淋式2種施加方式對20鋼表面陶瓷層的力學(xué)、摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕等方面性能的影響規(guī)律，以期為該復(fù)合技術(shù)在20鋼制大尺寸裝備零部件上的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

基體材質(zhì)為20鋼，尺寸20 mm×30 mm×4 mm，表面砂紙打磨使其粗糙度Ra=0.1～0.2 μm，熱浸鍍原料為A0純鋁錠(≥99.5 wt%，工業(yè)級)。采用自制井式電阻爐為熱浸鍍加熱設(shè)備；自主研制浸入式微弧氧化設(shè)備由XYMAO-100型微弧氧化電源、陽極-熱浸鍍鋁鋼板試樣、陰極-不銹鋼電解槽等構(gòu)成；自主研制的噴淋式微弧氧化設(shè)備由JHMAO型微弧氧化電源、陽極-熱浸鍍鋁鋼板試樣、陰極-噴淋式電解液施加器(噴頭)等構(gòu)成。

1.2 試樣制備

采用溶劑法在20鋼基體表面熱浸鍍鋁，其處理工序?yàn)椋涸嚇哟蚰ァ獕A洗脫脂—酸洗除銹—助鍍劑預(yù)處理—干燥—熱浸鍍鋁—后處理。其中:助鍍劑為6%KF水溶液，覆蓋劑的溶液組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為ω(KCl)︰ω(NaCl)︰ω(Na3AlF6)=10︰10︰1，在740 ℃溫度條件試樣熱浸鍍時間為5～7 min。

熱浸鍍鋁/微弧氧化復(fù)合處理試樣制備是指在熱浸鍍處理后，對熱浸鍍鋁表面進(jìn)行微弧氧化表面處理。微弧氧化過程中，基礎(chǔ)電解液選用具有優(yōu)異耐腐蝕性的三聚磷酸鈉電解液體系，其溶液組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為ω(Na5P3O10)︰ω(Na2MoO4)=10︰1；選用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值為弱堿性，以增加溶液電導(dǎo)率及降低反應(yīng)時的起弧電壓。不同施加方式的微弧氧化方法工藝參數(shù)如表1所示。

表1 不同施加方式的微弧氧化方法工藝參數(shù)

1.3 測試方法

采用覆層測厚儀測試涂層厚度。采用DSX-100光學(xué)數(shù)碼顯微鏡觀察剖面形貌。采用X-350A型X射線殘余應(yīng)力分析儀測試殘余應(yīng)力，掃描起始角為144°，終止角為135°，步距為0.10°。

采用MFT-4000多功能材料表面性能測試儀測試摩擦磨損性能，劃痕試驗(yàn)參數(shù)如下金剛石探頭，錐角90°，尖端半徑為0.1 mm，加載力為20 N。往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)如下：摩擦長度為5 mm，試驗(yàn)時間為30 min，摩擦速率為200 mm/min，載荷為15 N，鋼球直徑為6 mm。

采用三電極系統(tǒng)CS-350型電化學(xué)工作站測試電化學(xué)性能，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，工作電極為裸露于電解液中的20鋼層、熱浸鍍鋁層、熱浸鍍鋁/微弧氧化層(陶瓷層)，腐蝕環(huán)境為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液，腐蝕面積為1 cm2，開路電位-時間曲線的掃描速率為1 mV/s，掃描電位為-1.5～0.5 V，由ZView2軟件測試分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層厚度

熱浸鍍鋁形成的鋁鍍層和熱浸鍍/微弧氧化復(fù)合處理形成的陶瓷層厚度如表2所示。可以看出：經(jīng)熱浸鍍后，鋁鍍層平均厚度為60.18 μm；經(jīng)浸入式和噴淋式微弧氧化方法處理后，形成的陶瓷層平均厚度分別為26.89、27.44 μm，后者比前者的厚度僅增大了0.55 μm，差別不明顯。

表2 鋁鍍層和陶瓷層厚度 μm

2.2 形貌觀察

20鋼經(jīng)熱浸鍍鋁和熱浸鍍鋁/微弧氧化復(fù)合處理后,形成的鋁鍍層和陶瓷層表面宏觀形貌和剖面微觀形貌分別如圖1、2所示。

由圖1可以看出：1)經(jīng)熱浸鍍處理后，鋁鍍層表面較平整，呈銀色，無針眼和漏鍍現(xiàn)象；2)經(jīng)熱浸鍍鋁/微弧氧化復(fù)合處理后，陶瓷層表面顏色變暗，且浸入式形成的陶瓷層表面顏色較均勻，呈淺灰色，但二者表面平整度接近。

由圖2可以看出：1)經(jīng)熱浸鍍處理后，剖面結(jié)構(gòu)分布為20鋼基體—鐵鋁合金層—鋁鍍層[1]，界面結(jié)合緊密；2)經(jīng)熱浸鍍鋁/微弧氧化復(fù)合處理后，剖面結(jié)構(gòu)分布為20鋼基體—鐵鋁合金層—鋁鍍層—陶瓷層[1]，且噴淋式和浸入式2種施加方式獲得的陶瓷層與鋁鍍層界面結(jié)合均緊密。

2.3 殘余應(yīng)力

在制備過程中，由于陶瓷層與鋁鍍層之間、鋁鍍層與鐵鋁合金層之間的晶格參數(shù)不匹配，熱膨脹系數(shù)不同及微弧氧化陶瓷層中產(chǎn)生的相變等均會導(dǎo)致復(fù)合層中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。不同試樣的殘余應(yīng)力值如圖3所示，可以看出：鋁鍍層殘余應(yīng)力最大，與之相比，陶瓷層的殘余應(yīng)力相對較小，其中浸入式的降低了18%、噴淋式降低了38%，說明鋁鍍層經(jīng)微弧氧化處理，可抑制陶瓷層表面裂紋的生長，從而預(yù)防表面腐蝕開裂，提高20鋼復(fù)合層的穩(wěn)定性。

2.4 摩擦磨損性能

結(jié)合劃痕形貌、平均摩擦因數(shù)、磨損量和臨界載荷的變化規(guī)律，分析不同試樣的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能和影響規(guī)律。

1) 劃痕形貌

不同試樣表面的劃痕形貌(放大200倍)如圖4所示?？梢钥闯觯?/p>

(1) 20鋼基體劃痕顏色為黑色。

(2) 鐵鋁合金層表面光亮度高，其中中間區(qū)域劃痕顏色最深，可見少量黑色金屬。

(3) 鋁鍍層表面光亮度高，相對平滑，劃痕未磨穿，且邊緣出現(xiàn)較大崩裂區(qū)，使得黑色金屬層裸露。這是因?yàn)椋夯w經(jīng)熱浸鍍鋁后，表面殘余應(yīng)力增大，使得摩擦?xí)r疲勞磨損裂紋在磨痕邊界處發(fā)生延展。

(4) 陶瓷層表面光澤度低，可見亮銀色的鋁和黑色的金屬，鐵鋁合金層出現(xiàn)一定量磨損，但未完全磨穿，這說明經(jīng)微弧氧化后陶瓷層的殘余應(yīng)力下降，可有效抑制疲勞磨損產(chǎn)生的裂紋向邊界擴(kuò)展；與浸入式相比，噴淋式的陶瓷層劃痕區(qū)內(nèi)亮銀色區(qū)所占面積較大。

2) 平均摩擦因數(shù)

不同試樣表面摩擦因數(shù)變化曲線如圖5所示?？梢钥闯觯?/p>

(1) 20鋼基體的摩擦因數(shù)變化曲線較平穩(wěn)，且平均值較高，為0.508。

(2) 鐵鋁合金層的摩擦因數(shù)呈階段性分布特征：①當(dāng)t<15 min時，摩擦因數(shù)曲線波動相對平滑，摩擦因數(shù)較小，穩(wěn)定在約0.1；②當(dāng)t>15 min時，摩擦因數(shù)隨涂層磨損厚度的增大而逐漸上升，并趨近于鐵鋁合金層與20鋼基體間的臨界值，與圖4(b)磨痕形貌觀察結(jié)果(未完全磨穿)相一致。鐵鋁合金層的摩擦因數(shù)平均值為0.183。

(3) 鋁鍍層的摩擦因數(shù)變化曲線先穩(wěn)定平緩，在t>15 min后呈上升趨勢，其平均值為0.389；與基體相比，其平均摩擦因數(shù)下降，說明其潤滑性提高。

(4) 起始時，浸入式陶瓷層的摩擦因數(shù)呈上升趨勢，然后在中間段出現(xiàn)較大波動，最后在t>15 min時趨于平穩(wěn)，其平均值為0.35；噴淋式陶瓷層的摩擦因數(shù)較大，當(dāng)t>24 min時曲線出現(xiàn)明顯下滑，其摩擦因數(shù)平均值為0.51。與鋁鍍層相比，陶瓷層的平均摩擦因數(shù)較大，且波動較大，說明陶瓷層表面變粗糙，但浸入式陶瓷層的表面粗糙度相對均勻，潤滑性較好。

3) 磨損量

不同試樣表面磨損量變化曲線如圖6所示。可以看出：與20鋼基體相比，鋁鍍層磨損量最大，盡管其平均摩擦因數(shù)較小，但其耐磨性整體降低；與鋁鍍層相比，浸入式陶瓷層的平均摩擦因數(shù)較小且磨損量小，則其耐磨性良好，而噴淋式陶瓷層磨損量較小，平均摩擦因數(shù)較大，其耐磨性整體較好。

4) 臨界載荷

不同試樣的臨界載荷值Lc變化曲線如圖7所示?？梢钥闯觯号c鋁鍍層相比，陶瓷層臨界載荷較高，其中浸入式提高了1.6倍，噴淋式提高了1.8倍。臨界載荷可以用來表征材料表面硬度，臨界載荷越大，涂層表面硬度越大。因此，基體經(jīng)熱浸鍍鋁后硬度降低，而再經(jīng)微弧氧化方法處理后的表面硬度明顯提高。

結(jié)合圖5-7可知：與熱浸鍍處理方法相比，熱浸鍍鋁/微弧氧化復(fù)合處理方法能有效提高材料表面硬度、耐磨性，且浸入式陶瓷層的耐磨性優(yōu)于噴淋式。

2.5 電化學(xué)腐蝕性能

不同試樣的電化學(xué)腐蝕極化曲線如圖8所示，由極化曲線外推法所得的自腐蝕電壓(Ecorr)和自腐蝕電流密度(Jcorr)如表3所示。

由圖8可知：

1) 在陽極區(qū)，鋁鍍層和陶瓷層的極化曲線均存在鈍化區(qū)域，說明鋁鍍層或陶瓷層表面形成了具有保護(hù)作用的鈍化膜[1]。

試樣Jcorr/(10-5A·cm-2)Ecorr/ V基體1.20-1.02鐵鋁合金1.37-1.02鋁鍍層2.39-1.43浸入式陶瓷層1.86-1.14噴淋式陶瓷層1.87-1.17鋁鍍封孔0.171-0.87浸入式封孔0.001 32-0.75

2) 與20鋼基體相比，經(jīng)熱浸鍍后的鋁鍍層自腐蝕電壓減小，自腐蝕電流密度增大，說明耐腐蝕性下降。

3) 鋁鍍層再經(jīng)浸入式/噴淋式微弧氧化復(fù)合處理后，陶瓷層的自腐蝕電壓進(jìn)一步增大，且自腐蝕電流密度進(jìn)一步減小，但2種施加方式相差不大。由于涂層表面自腐蝕電壓越大、自腐蝕電流密度越小，其耐腐蝕性越好，因此，與鋁鍍層相比，陶瓷層的耐腐蝕性提高，但仍不及20鋼基體。

4) 與未封孔相比，經(jīng)封孔處理的鋁鍍層和陶瓷層的自腐蝕電壓增大，而自腐蝕電流密度分別減小了1、3個數(shù)量級，說明耐腐蝕性提高，且優(yōu)于20鋼基體。

3 結(jié)論

20鋼經(jīng)熱浸鍍后，采用微弧氧化復(fù)合處理工藝可有效改善材料表面平整度、摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕性，且封孔后的耐腐蝕性有明顯提高。其中：浸入式-噴淋式2種施加方式在提升鋁鍍層的耐腐蝕能力上表現(xiàn)相近。下一步，將開展熱浸鍍/噴淋式微弧氧化復(fù)合處理對20鋼耐熱性的影響研究，以期為大尺寸構(gòu)件便攜性施工應(yīng)用研究提供參考。