Q235钢铁/Al-Ni镀层/微弧氧化陶瓷膜的性能研究

孙淑萍, 杨飞平, 刘锐杰

(燕山大学环境与化学工程学院,河北秦皇岛 066004）

Q235钢铁/Al-Ni镀层/微弧氧化陶瓷膜的性能研究

孙淑萍, 杨飞平, 刘锐杰

(燕山大学环境与化学工程学院,河北秦皇岛 066004）

在Na2SiO3溶液中,采用微弧氧化技术将钢铁基体上的Al-Ni合金镀层氧化为陶瓷膜。利用SEM观察Al-Ni陶瓷膜的表面形貌;利用 Tafel极化曲线评价了Al-Ni陶瓷膜的耐蚀性;讨论了Na2SiO3的质量浓度对陶瓷膜性能的影响。结果表明:Na2SiO3的质量浓度对该陶瓷膜的厚度、硬度、耐蚀性均有一定的影响。

Al-Ni合金镀层;微弧氧化;陶瓷膜

0 前言

Q 235钢通常用来制造建筑构件、冲压件、焊接件、锻件等,是用途最广的碳素结构钢。因其铁素体的质量分数高,塑性、韧性优良,且价格低廉,在国民经济各部门得到了广泛应用。但Q 235钢易锈蚀、易磨损,在储存和使用过程中往往造成巨大的经济损失[1]。因而研究钢铁表面防护技术具有重要的意义。

微弧氧化是在阳极氧化基础上发展起来的表面处理技术,可在Al,Mg,Ti等钝化型金属及其合金表面获得高硬度、耐蚀、极耐磨的微弧氧化膜[2-7]。膜层综合性能显著提高,促进了该技术在航空、电子、化工、纺织等工业领域的应用。本研究首先在经过预处理的钢铁基体上制备掺杂稀土镧的铝镀层,然后对镀层表面进行微弧氧化获得陶瓷膜,有效提高了钢铁基体的耐蚀性,同时陶瓷膜的多功能性也提高了钢铁的使用价值。

1 实验

1.1 实验材料及方法

试样为35 mm×35 mm×1 mm的A3钢片,经除油、除锈等预处理后,在 KCl-NaCl-AlCl3-NiCl2熔盐体系中获得Al-Ni合金镀层。电源为SMD-30型数控双脉冲电镀电源。

1.2 性能测试

在Na2SiO3溶液体系中,Al-Ni合金镀片为阳极、不锈钢槽为阴极,用循环水冷却,采用 MAO 5000型脉冲氧化实验电源进行微弧氧化。在质量分数为3.5%的NaCl溶液中,用CHI 704C型电化学工作站,采用三电极系,测定 Al-Ni陶瓷膜的Tafel极化曲线;采用 HCC-24型涂层测厚仪测定了陶瓷膜的厚度;采用 HX-500型显微硬度计测定陶瓷膜的硬度;通过 KYKY-2800型扫描电镜测定Al-Ni陶瓷膜的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 Al-Ni陶瓷膜的表面形貌

图1是在12 g/L的Na2SiO3溶液中制得的Al-Ni陶瓷膜表面形貌的扫描电镜照片。从图1(a）中可以看出:Al-Ni陶瓷膜表面组织整体较为均匀、平整,基本没有表面附着物,表面比较干净。从图1(b）可以看出:除了有均匀的陶瓷微粒,还有分布均匀、直径大约1～3μm的类似“火山口”的小孔。这些“火山口”的孔较小,在“火山口”的边缘上,没有明显熔融烧结痕迹。“火山口”就是成膜过程中能量密度集中的地方,是微弧氧化过程中形成的放电通道。

图1 Al-Ni陶瓷膜的表面形貌

2.2 Na2SiO3对Al-Ni陶瓷层的厚度和硬度的影响

图2是Al-Ni陶瓷膜的厚度随Na2SiO3的质量浓度变化的曲线。从曲线上可以看出:当Na2SiO3的质量浓度为6～10 g/L时,陶瓷膜厚度变化接近于线性上升;当Na2SiO3的质量浓度为12 g/L时,镀层的厚度达到最大值4μm;当Na2SiO3的质量浓度大于12 g/L时,陶瓷膜的厚度随Na2SiO3的质量浓度的增加而减小。在微弧氧化过程中,电解液里的SiO2-3会被吸附到氧化膜的表面发生一系列复杂的反应。在一定范围内,随着SiO2-3的质量浓度的增加,更多的SiO2-3被吸附、参加反应,膜层生长速率加快,膜层厚度相应增大。当Na2SiO3的质量浓度继续增大时,膜层厚度反而减小,可能是因为随着膜层厚度的增加,电流不易击穿膜层,减缓了膜层的生长。

图3是Al-Ni陶瓷膜的硬度随Na2SiO3的质量浓度变化的曲线。由图3可知:Na2SiO3的质量浓度在6～10 g/L范围内,有一显微硬度最小值;在10～14 g/L的范围内,又有一最大值。根据Aleballa等人提出的杂质中心放电模型,当处理液的质量浓度高于某一值时,杂质中心放电的波动效应会表现的很明显,陶瓷膜的硬度等性质也会随之变化不定。

图2 Na2SiO3对Al-Ni陶瓷膜厚度的影响

图3 Na2SiO3对Al-Ni陶瓷膜硬度的影响

2.3 陶瓷膜的Tafel极化曲线的分析

图4为在不同Na2SiO3的质量浓度下制备的陶瓷膜在质量分数为3.5%的NaCl溶液中测得的Tafel曲线。表1为利用 Tafel斜率分析得到的各试样的自腐蚀电流密度和自腐蚀电位。由图4和表1可以看出:Na2SiO3的质量浓度的变化对自腐蚀电流密度的影响没有明显规律性。当Na2SiO3的质量浓度为6 g/L时,所得陶瓷膜的自腐蚀电流密度最小,即:腐蚀速率最小,表明微弧氧化膜的耐蚀性较好。当Na2SiO3的质量浓度为12 g/L时,所得陶瓷膜的自腐蚀电位较大,不易腐蚀;但此时膜层的自腐蚀电流密度较大,一旦发生腐蚀,腐蚀速率较快。

图4 Al-Ni陶瓷膜的 Tafel曲线

表1 拟合数据

3 结论

(1）陶瓷膜的厚度随Na2SiO3的质量浓度的增加而增加,当Na2SiO3的质量浓度为12 g/L时,陶瓷膜的厚度为4μm,达到最大;陶瓷膜的显微硬度随Na2SiO3的质量浓度的变化波动较大。

(2）Tafel极化曲线表明:当Na2SiO3的质量浓度为6 g/L时,所得陶瓷膜的自腐蚀电流密度最小,耐蚀性最好。

[1] 刘宝俊.材料的腐蚀及其控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,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

·化学镀·