普通低碳钢表面陶瓷膜层的制备

作品名称普通低碳钢表面陶瓷膜层的制备与性能研究类别科技发明制作负责人主要成员一、当前研究现状：随着表面处理技术的发展，金属的表面陶瓷化处理已成为材料科学中的热点课题，经过表面处理，把金属的韧性和陶瓷的耐腐蚀性、耐磨性、耐高温热冲击性等有机的结合，会很大程度上提高材料的综合性能，从而扩大材料的使用寿命和使用范围，提高材料的应用价值。低碳钢的表面处理技术一般为表面淬火、表面渗碳、表面电镀和表面热浸镀等，经碳过这些技术处理，低钢的强度和耐磨性有了一定提高，若要大幅提高低碳钢的表面性能，低碳钢的表面陶瓷化便是一个全新的方向。微弧氧化技术是近年来对金属进行表面处理的一种新方法，又称微等离子体表面陶瓷化技术，是指在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化陶瓷膜的方法。采用专用的微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，金属表面形成陶瓷膜，达到工件表面强化的目的。但是微弧氧化技术目前仅局限于有色金属，如铝合金、镁合金、钛合金的表面处理，而对应用极其广泛的普通低碳钢则是不可行的，因此，如何有效的利用微弧氧化技术在普通低碳钢表面形成陶瓷膜层，具有重要的应用价值和挑战性。国内目前研究低碳钢表面陶瓷层的材料的发展很快，已经开始有向铝合金方向发展的趋势，有的还在镀层铝中掺杂稀土等材料，研究低碳钢的表面陶瓷化具有很大的实用价值和意义。国内研究低碳钢表面陶瓷膜层的制备的学校有：学校有重庆大学、燕山大学、哈尔滨工业大学参考文献：[1]孙淑萍，杨飞平，刘锐杰.Q235钢铁/Al-Ni镀层/微弧氧化陶瓷膜的性能研究[J].电镀与环保，2011，31（6）：46-48[2]赵国华，压铸模具钢的微弧氧化复合表面改性[D]，重庆大学材料科学与工程学院，2011，6-11[3]赵建华，赵国华，李涛，刘鑫，李佳丽，韩二静.H13热作模具钢微弧氧化复合陶瓷层的组织和性能[J].材料处理学报，2012，3（3）：129-132二、作品撰写的目的和基本思路：低碳钢是日常生活中很常见的材料，其退火组织为铁素体和少量珠光体，强度和硬度较低，塑性韧性较好，在日常生活中应用非常广泛，如日常生活中的各种建筑构件、容器、箱体炉体、农机具、汽车驾驶室、发动机罩等，还用于制作强度要求不高的各种机械零件。但是，低碳钢的强度和耐磨性较低，限制了其应用。因此，寻找一种表面处理方法使低碳钢的表面性能大幅提高非常必要。本实验的目的：（1）在低碳钢表面形成陶瓷膜层，大大提高低碳钢的表面性能，使材料强度更高、更耐磨。（2）寻找一种使微弧氧化技术不仅仅局限于有色金属的方法，让微弧氧化技术的应用更为广泛。微弧氧化形成的陶瓷膜层具有很多特别的性质，如硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温热冲击性能等。如果使低碳钢表面形成一层陶瓷膜层，将会使其具有更多优良的性质,但是,低碳钢表面不能直接进行微弧氧化，如果将电镀工艺或热浸镀工艺与微弧氧化工艺相结合，先在低碳钢表形成一层铝金属薄膜，然后对这层薄膜进行微弧氧化，这样就会在低碳钢表面形成一层氧化铝陶瓷膜层，间接的在低碳钢表面进行了微弧氧化处理，达到预期的目的。氧化铝陶瓷具有很高的硬度和密度，还具有良好的电绝缘性能，高温下的电绝缘性能尤为突出，若在低碳钢表面制备一层氧化铝陶瓷膜层会使低碳钢表面性能大大提高。电镀和热浸镀可以在低碳钢表面均匀的镀一层铝薄膜，对这层铝薄膜进行微弧氧化，使低碳钢表面形成一层陶瓷膜层。微弧氧化法与电镀或热浸镀法的结合，是其他单一的表面强化技术所没有的优点。相比于陶瓷喷涂技术等处理工艺，这种方法制得的工件膜层与基体结合良好（热浸镀与机体之间为冶金结合，使低碳钢与铝层形成金属间化合物，镀层与基体间结合非常紧密），膜层厚度也比较容易控制；相比于合金强化，这种方法所用材料成本低，适合工业生产；与表面渗碳工艺相比，这种方法制得的工件则有更高的强度和耐磨性；而且这种方法比其他表面强化工艺的操作工序简单，电解液污染也比较小。所以，本次实验的基本思路是：将微弧氧化工艺与电镀或热浸镀工艺相结合，使低碳钢这种表面不能直接进行微弧氧化的金属材料在其表面形成一层可以进行微弧氧化的铝金属薄膜，然后对铝薄膜进行微弧氧化，使低碳钢表面形成一层陶瓷膜层。然后，对制备好的材料进行一系列性能的研究与测试，主要是耐磨性、耐腐蚀性、导电性、耐高温热冲性。三、作品具体实施方案：1、陶瓷膜层的制备：（1）热浸镀：热浸镀的工艺流程为：除油—除锈—助镀—保护非镀部位—热浸镀—清洗a.除油：除油在加热到80℃至沸腾的普通碱液中进行。将油污除尽后经水洗然后除锈。b.除锈：除锈在配置好的混合酸中进行，酸液加热到50℃左右，此温度下除锈速度快而且彻底。c.助镀：为避免除锈后的钢件表面氧化为Fe2O3，用常温钝化法处理使钢件表面瞬间形成Fe4O3薄膜，避免被氧化为Fe2O3，有利于热浸镀的进行。d.热浸镀：热浸镀铝在坩埚炉中进行，为防止铝液的氧化在其表面添加一层覆盖剂，实验在较低的温度下进行。实验完成后，用自来水冲洗，自然干燥。（2）电镀：本实验采用熔盐电镀方法在低碳钢表面电镀铝电镀铝实验材料：基体：普通低碳钢阳极：工业纯铝实验所用主要化学药品：氯化钠、氯化钾、无水三氯化铝、无水乙醇、丙酮实验方法：电镀铝前期处理及准备：先将NaCl和KCl按照1:1比列混合后，烘干。在配置熔盐前需将无水AlCl3研磨成细小的碎粒，使其与NaCl和KCl能均匀混合，其三者的质量比是8:1:1，低碳钢试样在电镀前先打磨然后用丙酮浸泡除油，再用酒精擦净后将其烘干。实验时先将按比例配好的混合盐装入干锅加热至熔融状态，加热至150℃后，保温一段时间然后用纯铝做阳极低碳钢工件做阴极，保持一定的电流密度进行电镀，一段时间后，切断电源去除试样，用水冲洗，烘干。2、微弧氧化：图2.2微弧氧化实验设备图微弧氧化工艺流程主要按以下几个步骤进行：（1）工件前期处理：除油和磨光：a.除油：主要去除工件表面的各种油脂，这些油脂包括植物油、动物油、矿物油。只有将这些油污清除，才能达到工件的表面完全被溶液所湿润的目的。本实验除油时用一般洗涤剂将工件表面清洗干净即可。b.打磨：先用砂轮机磨掉表面的毛刺，再用砂纸对试样进行细磨，使工件表面更加平整，生成的微弧氧化膜更加均匀，平整的表面有利于性能的检测。（2）微弧氧化：a.将烧杯放入冷却水槽中，按要求连接好阴极和阳极，确保工件和线路良好的接触。b.启动搅拌器，调节好转速。c.启动电源，选择合适的工作方式，按实验条件设定工艺参量进行微弧氧化。启动电源时首先应保证合金在外电场的作用下在溶液中形成一层绝缘膜层，这样金属表面就可以由活性溶解状态转变为钝性溶解状态，在调节电压时慢慢调节，给金属一个钝化的过程，因为金属处于钝态时的腐蚀速率较低。d.实验结束后，按照正常的顺序将电压、电流归零，关闭电源及其他设备。e.取出工件后用自来水冲洗，起到表面封孔的作用，要求表面不能残留电解液。f.自然干燥后进行性能检测。3、性能研究与测试：工件自然干燥后对其氧化膜的厚度、耐腐蚀性、硬度、微弧氧化膜的微观形貌、膜层相组成、膜层与基体的结合强度、力学性能进行一系列测试。a.外观检测：借助天然光或在日光下目测检验，观察表面层氧化膜层孔隙大小色泽是否均匀、有无斑点、脱皮等。b.厚度测定：使用实验仪器检测氧化膜的厚度。c.耐腐蚀性监测：对工件进行耐腐蚀性检测，便是对氧化铝膜层的耐腐蚀性检测，因此参照铝合金表面微弧氧化膜层的耐腐蚀性检测方法。盐酸（d=1.19）25ml/L重铬酸钾3g/L蒸馏水75ml/L实验室用胶头滴管在微弧氧化膜上滴一滴试验液，并记录表面液滴由开始滴加到由黄色开始变绿所需的时间，颜色变绿说明氧化膜已被溶解，使基体铁与溶液中的六价铬发生氧化还原反应，使六价铬被还原为三价而成为绿色。根据时间长短来评价氧化膜的耐腐蚀性。d.硬度测试：使用洛氏硬度测试方法测定氧化膜的硬度，测定氧化膜的硬度时要根据低碳钢表面陶瓷膜层的厚薄以及估计的硬度值选择硬度计的使用载荷。e.微观形貌：微弧氧化膜的微观组织包括微观形貌微观结构和微观组成，由于微弧氧化膜是反光性能不好的陶瓷膜层，所以使用一般的光学显微镜不能观测其微观形貌。通常情况下先对其进行喷金处理使其表面导电，然后用扫描电子显微镜观察微弧氧化膜的微观组织，扫描电子显微镜可以观察氧化膜上微孔的大小、裂纹的多少和氧化膜截面的形貌。使用透射电子显微镜（TEM）观察氧化膜微观结构及晶粒大小。另外可用衍射仪器分析陶瓷膜层的相结构。f.陶瓷膜结合强度的检测：利用简单划痕法定性分析膜基结合强度，拉伸剥离法定量测定膜结合强度g.微弧氧化后力学性能检测：本试验采用拉伸实验测量微弧氧化后的工件的力学性能，并对其进行分析。作品的科学性、先进性及独特性：本作品采用微弧氧化技术与热浸镀或电镀技术相结合的方法，在低碳钢表面制备了一层氧化铝陶瓷膜层，解决了低碳钢实际应用中强度不高和易腐蚀、耐磨性差等问题，具有以下先进性：1、制备的新材料本身的创新：将金属材料的高塑性、延展性和陶瓷材料的高强度、高硬度、耐腐蚀等性能有机的结合，采用低成本的微弧氧化技术，在普通低碳钢表面形成耐高温、高硬、高耐腐蚀性的陶瓷膜层，显著拓展了普通钢铁材料的使用领域，在材料本身是一种创新。2、制备方法的创新：利用电镀或热浸镀方法为介质，与微弧氧化技术相结合，使不能直接进行微弧氧化的低碳钢等金属材料可以间接使用此种方法来形成陶瓷膜层，为金属的表面处理提供了一个全新的方向。