热浸镀铝/微弧氧化处理20钢工艺方法及性能研究

宋 巍， 郑才涛， 孙晓峰， 黄元林， 从众帅

(1. 陆军装甲兵学院装备保障与再制造系， 北京 100072； 2. 中国科协学会服务中心， 北京 100086)

受排气管高温、高盐雾等恶劣工作环境影响，20钢基体常在物理隔热层老化破损后裸露，易产生磨损、腐蚀等损伤[1]，从而严重制约了发动机传热效率和排气管等部件的使用寿命。国内外大都采用多层阻隔防护和热浸镀防护的技术方法[2-7]改善在役20钢耐高温性能。由于热浸镀防护方法会使形成的铝镀层部分力学性能降低，因此可通过微弧氧化技术提高其力学性能和耐腐蚀性能[8-9]。黄元林等[1]前期已开展了热浸镀铝/微弧氧化复合新技术在20钢表面形成铝-陶瓷复合层的工艺研究，其有效改善了基体热导率，提高了材料表面的耐热性能。基于此，笔者研究了热浸镀铝/微弧氧化复合处理工艺对20钢基体及铝镀层性能的影响，对比分析了微弧氧化过程中浸入式和喷淋式2种施加方式对20钢表面陶瓷层的力学、摩擦磨损和电化学腐蚀等方面性能的影响规律，以期为该复合技术在20钢制大尺寸装备零部件上的推广应用提供基础理论依据。

1 实验部分

1.1 材料与设备

基体材质为20钢，尺寸20 mm×30 mm×4 mm，表面砂纸打磨使其粗糙度Ra=0.1～0.2 μm，热浸镀原料为A0纯铝锭(≥99.5 wt%，工业级)。采用自制井式电阻炉为热浸镀加热设备；自主研制浸入式微弧氧化设备由XYMAO-100型微弧氧化电源、阳极-热浸镀铝钢板试样、阴极-不锈钢电解槽等构成；自主研制的喷淋式微弧氧化设备由JHMAO型微弧氧化电源、阳极-热浸镀铝钢板试样、阴极-喷淋式电解液施加器(喷头)等构成。

1.2 试样制备

采用溶剂法在20钢基体表面热浸镀铝，其处理工序为：试样打磨—碱洗脱脂—酸洗除锈—助镀剂预处理—干燥—热浸镀铝—后处理。其中:助镀剂为6%KF水溶液，覆盖剂的溶液组分质量分数比为ω(KCl)︰ω(NaCl)︰ω(Na3AlF6)=10︰10︰1，在740 ℃温度条件试样热浸镀时间为5～7 min。

热浸镀铝/微弧氧化复合处理试样制备是指在热浸镀处理后，对热浸镀铝表面进行微弧氧化表面处理。微弧氧化过程中，基础电解液选用具有优异耐腐蚀性的三聚磷酸钠电解液体系，其溶液组分质量分数比为ω(Na5P3O10)︰ω(Na2MoO4)=10︰1；选用NaOH调节溶液pH值为弱碱性，以增加溶液电导率及降低反应时的起弧电压。不同施加方式的微弧氧化方法工艺参数如表1所示。

表1 不同施加方式的微弧氧化方法工艺参数

1.3 测试方法

采用覆层测厚仪测试涂层厚度。采用DSX-100光学数码显微镜观察剖面形貌。采用X-350A型X射线残余应力分析仪测试残余应力，扫描起始角为144°，终止角为135°，步距为0.10°。

采用MFT-4000多功能材料表面性能测试仪测试摩擦磨损性能，划痕试验参数如下金刚石探头，锥角90°，尖端半径为0.1 mm，加载力为20 N。往复摩擦磨损试验参数如下：摩擦长度为5 mm，试验时间为30 min，摩擦速率为200 mm/min，载荷为15 N，钢球直径为6 mm。

采用三电极系统CS-350型电化学工作站测试电化学性能，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，工作电极为裸露于电解液中的20钢层、热浸镀铝层、热浸镀铝/微弧氧化层(陶瓷层)，腐蚀环境为质量分数3.5%的NaCl溶液，腐蚀面积为1 cm2，开路电位-时间曲线的扫描速率为1 mV/s，扫描电位为-1.5～0.5 V，由ZView2软件测试分析试验数据。

2 结果与讨论

2.1 涂层厚度

热浸镀铝形成的铝镀层和热浸镀/微弧氧化复合处理形成的陶瓷层厚度如表2所示。可以看出：经热浸镀后，铝镀层平均厚度为60.18 μm；经浸入式和喷淋式微弧氧化方法处理后，形成的陶瓷层平均厚度分别为26.89、27.44 μm，后者比前者的厚度仅增大了0.55 μm，差别不明显。

表2 铝镀层和陶瓷层厚度 μm

2.2 形貌观察

20钢经热浸镀铝和热浸镀铝/微弧氧化复合处理后,形成的铝镀层和陶瓷层表面宏观形貌和剖面微观形貌分别如图1、2所示。

由图1可以看出：1)经热浸镀处理后，铝镀层表面较平整，呈银色，无针眼和漏镀现象；2)经热浸镀铝/微弧氧化复合处理后，陶瓷层表面颜色变暗，且浸入式形成的陶瓷层表面颜色较均匀，呈浅灰色，但二者表面平整度接近。

由图2可以看出：1)经热浸镀处理后，剖面结构分布为20钢基体—铁铝合金层—铝镀层[1]，界面结合紧密；2)经热浸镀铝/微弧氧化复合处理后，剖面结构分布为20钢基体—铁铝合金层—铝镀层—陶瓷层[1]，且喷淋式和浸入式2种施加方式获得的陶瓷层与铝镀层界面结合均紧密。

2.3 残余应力

在制备过程中，由于陶瓷层与铝镀层之间、铝镀层与铁铝合金层之间的晶格参数不匹配，热膨胀系数不同及微弧氧化陶瓷层中产生的相变等均会导致复合层中产生残余应力。不同试样的残余应力值如图3所示，可以看出：铝镀层残余应力最大，与之相比，陶瓷层的残余应力相对较小，其中浸入式的降低了18%、喷淋式降低了38%，说明铝镀层经微弧氧化处理，可抑制陶瓷层表面裂纹的生长，从而预防表面腐蚀开裂，提高20钢复合层的稳定性。

2.4 摩擦磨损性能

结合划痕形貌、平均摩擦因数、磨损量和临界载荷的变化规律，分析不同试样的力学性能和摩擦学性能和影响规律。

1) 划痕形貌

不同试样表面的划痕形貌(放大200倍)如图4所示。可以看出：

(1) 20钢基体划痕颜色为黑色。

(2) 铁铝合金层表面光亮度高，其中中间区域划痕颜色最深，可见少量黑色金属。

(3) 铝镀层表面光亮度高，相对平滑，划痕未磨穿，且边缘出现较大崩裂区，使得黑色金属层裸露。这是因为：基体经热浸镀铝后，表面残余应力增大，使得摩擦时疲劳磨损裂纹在磨痕边界处发生延展。

(4) 陶瓷层表面光泽度低，可见亮银色的铝和黑色的金属，铁铝合金层出现一定量磨损，但未完全磨穿，这说明经微弧氧化后陶瓷层的残余应力下降，可有效抑制疲劳磨损产生的裂纹向边界扩展；与浸入式相比，喷淋式的陶瓷层划痕区内亮银色区所占面积较大。

2) 平均摩擦因数

不同试样表面摩擦因数变化曲线如图5所示。可以看出：

(1) 20钢基体的摩擦因数变化曲线较平稳，且平均值较高，为0.508。

(2) 铁铝合金层的摩擦因数呈阶段性分布特征：①当t<15 min时，摩擦因数曲线波动相对平滑，摩擦因数较小，稳定在约0.1；②当t>15 min时，摩擦因数随涂层磨损厚度的增大而逐渐上升，并趋近于铁铝合金层与20钢基体间的临界值，与图4(b)磨痕形貌观察结果(未完全磨穿)相一致。铁铝合金层的摩擦因数平均值为0.183。

(3) 铝镀层的摩擦因数变化曲线先稳定平缓，在t>15 min后呈上升趋势，其平均值为0.389；与基体相比，其平均摩擦因数下降，说明其润滑性提高。

(4) 起始时，浸入式陶瓷层的摩擦因数呈上升趋势，然后在中间段出现较大波动，最后在t>15 min时趋于平稳，其平均值为0.35；喷淋式陶瓷层的摩擦因数较大，当t>24 min时曲线出现明显下滑，其摩擦因数平均值为0.51。与铝镀层相比，陶瓷层的平均摩擦因数较大，且波动较大，说明陶瓷层表面变粗糙，但浸入式陶瓷层的表面粗糙度相对均匀，润滑性较好。

3) 磨损量

不同试样表面磨损量变化曲线如图6所示。可以看出：与20钢基体相比，铝镀层磨损量最大，尽管其平均摩擦因数较小，但其耐磨性整体降低；与铝镀层相比，浸入式陶瓷层的平均摩擦因数较小且磨损量小，则其耐磨性良好，而喷淋式陶瓷层磨损量较小，平均摩擦因数较大，其耐磨性整体较好。

4) 临界载荷

不同试样的临界载荷值Lc变化曲线如图7所示。可以看出：与铝镀层相比，陶瓷层临界载荷较高，其中浸入式提高了1.6倍，喷淋式提高了1.8倍。临界载荷可以用来表征材料表面硬度，临界载荷越大，涂层表面硬度越大。因此，基体经热浸镀铝后硬度降低，而再经微弧氧化方法处理后的表面硬度明显提高。

结合图5-7可知：与热浸镀处理方法相比，热浸镀铝/微弧氧化复合处理方法能有效提高材料表面硬度、耐磨性，且浸入式陶瓷层的耐磨性优于喷淋式。

2.5 电化学腐蚀性能

不同试样的电化学腐蚀极化曲线如图8所示，由极化曲线外推法所得的自腐蚀电压(Ecorr)和自腐蚀电流密度(Jcorr)如表3所示。

由图8可知：

1) 在阳极区，铝镀层和陶瓷层的极化曲线均存在钝化区域，说明铝镀层或陶瓷层表面形成了具有保护作用的钝化膜[1]。

试样Jcorr/(10-5A·cm-2)Ecorr/ V基体1.20-1.02铁铝合金1.37-1.02铝镀层2.39-1.43浸入式陶瓷层1.86-1.14喷淋式陶瓷层1.87-1.17铝镀封孔0.171-0.87浸入式封孔0.001 32-0.75

2) 与20钢基体相比，经热浸镀后的铝镀层自腐蚀电压减小，自腐蚀电流密度增大，说明耐腐蚀性下降。

3) 铝镀层再经浸入式/喷淋式微弧氧化复合处理后，陶瓷层的自腐蚀电压进一步增大，且自腐蚀电流密度进一步减小，但2种施加方式相差不大。由于涂层表面自腐蚀电压越大、自腐蚀电流密度越小，其耐腐蚀性越好，因此，与铝镀层相比，陶瓷层的耐腐蚀性提高，但仍不及20钢基体。

4) 与未封孔相比，经封孔处理的铝镀层和陶瓷层的自腐蚀电压增大，而自腐蚀电流密度分别减小了1、3个数量级，说明耐腐蚀性提高，且优于20钢基体。

3 结论

20钢经热浸镀后，采用微弧氧化复合处理工艺可有效改善材料表面平整度、摩擦磨损和电化学腐蚀性，且封孔后的耐腐蚀性有明显提高。其中：浸入式-喷淋式2种施加方式在提升铝镀层的耐腐蚀能力上表现相近。下一步，将开展热浸镀/喷淋式微弧氧化复合处理对20钢耐热性的影响研究，以期为大尺寸构件便携性施工应用研究提供参考。