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发布于2024.04.12 浏览量:527 作者:智子智能
二向箔实验室新质生产力 | 铝钒共渗耐磨耐蚀涂层的制备工艺及性能研究


导语:随着粉体传输行业对特种粉体/料浆种类扩大和自动传输效率提升需求的日益增长,现有涂层难以满足严苛的工作要求。

广东智子所设立的二向箔实验室,致力于推动流程工业的发展变革,可实现从材料测试、工艺技术创新到智能装备应用的全流程服务,为智能工厂发展新质生产力提供技术支持。为应对复杂多变的市场需求,二向箔实验室与中南大学加快产学研协同创新,共同开发出一种粉体传输用钢表面铝钒共渗耐磨耐蚀涂层的制备方法,助力企业在高性能涂层技术上的创新应用! 

一、表面处理技术的应用背景 

伴随着新能源、精细化学化工及粉末冶金等产业的快速发展,工业生产正迎来产能优化升级与自动化控制发展新机遇,叠加智慧工厂/智能产线对产品一致性和高效性要求的提升,粉体高速传输逐渐成为现代智能工厂建设的重要驱动力。在粉体高速搅拌及传输的过程中,粉末/浆料将对钢罐体和钢管道进行快速冲击或持续腐蚀,一方面易使钢材表面磨损腐蚀,另一方面则易引入钢铁粉末杂质,无论是对设备还是输送原料而言,均具有严重损伤。

在恶劣的运行环境中,钢罐体和钢管道常常受到腐蚀性液体、粉体运输以及高温金属液体的腐蚀和冲刷磨损,严重影响钢管的使用寿命,需花费大量的人力和物力进行维修更换。因此,如何提高钢罐体和钢管道等钢材表面的耐磨、耐蚀性能是一个持久且必要的研究方向。

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图1为钢管受冲刷磨损示意图

二、为什么要开发新型涂层技术? 

当前,对钢材进行表面处理被认为是提高强度和耐磨损性能的有效途径。在实际应用中,针对钢材的传统表面处理主要有电镀、渗铸、热喷涂等,但这些方法均存在涂层硬度较低、均匀性较差以及易于脱落等问题。而先进表面处理方式主要有物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等,但其成本高、尺寸小、内腔难施镀等问题,限制了它们在某些领域上的广泛应用。

例如,采用热喷涂方式,在钢材表面喷涂一层铬或镍等合金粉末作为耐磨耐蚀涂层,虽然涂层制备方式简单,但金属涂层易在水中形成原电池,加剧局部腐蚀。同时,喷涂的铬、镍涂层硬度较低,抗磨性能较差,耐粉末冲刷能力难以达到要求,且对钢材的保护年限较短,因此开发新型的涂层技术对钢材保护至关重要。


三、什么是高温热扩散盐浴法? 

高温热扩散盐浴法是一种在钢材表面制备涂层的方法,相较于物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、激光表面处理、表面镀金属、渗碳及渗氮等其他表面处理方式,高温热扩散盐浴法处理后的涂层拥有更优的硬度和耐磨性能,同时基体与覆层之间为冶金结合,结合强度更高,达到E-7结构胶强度极限(86MPa)之上,更耐剥落。


四、铝钒共渗复合涂层的制备工艺 

1制备工艺介绍

为制备高性能涂层,广东智子基于二向箔实验室和产学研平台,根据粉体传输特性,采用高温热扩散盐浴法,将已去除油污和氧化层的钢基材置于盐浴剂中保温一段时间(一般为2-4h),所述盐浴剂为Na2B4O7、Na3AlF6、Al粉、NaF和助熔剂NaCl等混合物,温度为800-880℃。

随后,添加V2O5和CeO2,升温至880-940℃(保温时间为4-8h),进行高温热扩散盐浴渗钒处理,每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌,在钢材表面制备铝钒共渗复合涂层,涂层厚度为20-50μm。通过多种精密测量仪器来获取实验材料的成分含量,分析复合涂层的性能表现,推动材料工艺的持续优化创新。

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图2为盐浴炉示意图(盐浴剂和钢基材都置于坩埚4进行处理,由测温热电偶3进行测温)

 

2相关反应方程式

从反应方程式可知,当Na2B4O7、Na3AlF6、Al、NaF和助熔剂NaCl经过加热熔化后,熔融的Na3AlF6、NaF及Al之间发生反应(1.1)和反应(1.2),原子Al与Al3+ 离子反应生成的Al1+活性离子吸附到基体材料表面,然后向内部扩散形成渗铝层。

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图3为复合涂层的相关反应方程式

在加入V2O5和催渗剂CeO2时,硼砂作为活性金属原子存在和传输的载体,在熔融状态下,会发生分解反应(1.3),生成偏硼酸钠和硼酐。紧接着,由Al作为还原剂发生反应(1.4),将V2O5中的V元素还原出来,扩散进入钢材表面沉积。与此同时,钢基体的游离碳沿着渗铝所形成的扩散通道,与活性钒原子发生反应(1.5),形成碳化钒层。

该外层高硬度碳化钒层显著提高了钢材的耐磨性能,而内层铝化物层使得钢材具有优越的耐蚀性能,因此该涂层方案既提高了钢材的耐腐蚀性能,也提升了钢材的耐磨损性能。


五、铝钒共渗耐磨耐蚀涂层的制备过程 

将钢材经线切割成200×200×4mm的正方形试样,对其表面进行砂纸打磨,以去除表面油污和氧化层,并用酒精清洗吹干。按表1的实验要求,称取实施例1、实施例2及对比例中各物料重量,混合均匀并以5℃/min的速度加热,待盐浴反应充分后进行高温热扩散盐浴处理。

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表1为各物料配比参数

依据表2中的温度参数,将预处理后的试样放置在惰性气氛炉中保温30min,随后置入盐浴炉中保温,在高温热扩散盐浴渗铝处理过程中,每隔1h采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌,保持盐浴的流动性,以保证试样表面活性金属原子的充足供应,确保渗铝涂层的均匀性。

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表2为实验温度参数

如表3所示,在盐浴炉中添加剩余物料,采用电磁搅拌等方式对盐浴炉进行搅拌,将炉温继续以2℃/min升高至预设温度,每隔1h就对盐浴炉进行搅拌,直至保温结束。

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表3为剩余物料配比参数

六、实验分析   

1表面形貌分析

复合涂层的表面微观形貌如图4所示,实施例1和实施例2的涂层表面较为光滑平整、无明显裂纹与孔隙,而对比例的涂层表面出现部分微裂纹,且表面粗糙不平。

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图4为表面形貌图(电镜图)

2截面形貌分析

从涂层截面的微观形貌可看出,铝钒共渗涂层分为明显的两层。实施例1和实施例2的厚度分别大约为35μm和30μm,涂层内部无大裂纹与气孔杂质等缺陷,外层为碳化钒层,内层主要成分为富铝层,且与基材之间连接紧密,无明显缺陷,基材与扩散层界面结合良好。而对比例中的涂层厚度大约为25μm,内部可看见较多的孔洞,渗钒层与富铝层的结合较差,这可能是由于渗钒温度过低、盐浴配方不佳所导致。

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图5为截面形貌图(电镜图)

3摩擦磨损后的表面形貌分析

从涂层摩擦磨损后的表面形貌可看出,在实施例1的磨痕附近,磨屑较少,磨痕颜色加深且磨痕较浅,可推测涂层样品在摩擦磨损测试过程中发生了氧化磨损。此外,实施例2的涂层表面磨屑较少,在剪切、撕裂等作用下,磨痕深处产生片状剥落,且磨痕颜色变深,表明涂层试样在摩擦磨损测试过程中发生了氧化磨损和疲劳磨损。

对比例的磨痕附近存在较多磨屑,且出现大量的明显裂纹,部分区域还存在着因粘着、撕脱作用而产生的不规则坑,这说明在磨损过程中发生了粘着磨损。另外,由于涂层存在较多孔洞,在磨损期间,磨球与涂层在孔洞处的接触面积减少,压强增大,并在孔洞边缘产生剪切形变,当形变超过涂层的强度极限后,裂纹开始萌生。

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图6为摩擦磨损后的表面形貌图(电镜图)

4摩擦系数分析

图7为摩擦系数曲线图,对比发现实施例1的摩擦系数仅为0.258,明显低于对比例1的0.501,说明铝钒共渗复合涂层大幅提高了钢材的耐磨性能。同样地,实施例2的摩擦系数仅为0.282,明显低于对比例的0.501。其摩擦曲线呈先增加后逐渐减小的趋势,推测在磨损过程中,随磨损时间增长,磨损所产生的磨屑逐渐被压入到磨槽底部,使得磨槽表面的粗糙度增加,摩擦系数在干摩擦过程中也随之提升。但由于碳化钒涂层的硬度高,磨屑被压入量较少,因此其摩擦系数的变化也较小。

然而,对比例中的摩擦系数为0.501,远大于其他涂层。这是因为在摩擦的初始阶段,接触面积较小,所产生的压强大,在发生粘着磨损后,接触面变得更加不平整,摩擦系数也不断提升。伴随着干摩擦产生的大量热而出现氧化磨损,氧化后的磨屑被压入基体,使基体变得更为不平整,撕脱和磨屑压入现象与摩擦过程中起伏不定的摩擦系数相对应。

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7为滑动摩擦系数对比图

5静态腐蚀后的表面形貌分析

图8为涂层试样600h铅液腐蚀测试结果,从图中可看出实施例1经腐蚀后,涂层表面仍存在一层氧化膜保护层,仅在局部区域出现腐蚀孔洞,说明涂层可有效提升钢基材的耐腐蚀能力。实施例2的涂层表面较为平整,局部出现部分点蚀和凹坑,说明铅液对涂层有轻微的侵蚀,但由于涂层内层富铝层不断形成Al2O3膜,对钢基材起到很好的保护作用。

而对比例中的涂层表面可以看到明显的腐蚀特征,表面出现疏松、细碎且均匀分布的腐蚀产物。腐蚀层为两层,外层的腐蚀层出现部分破碎和脱落的现象,而内层的腐蚀产物则呈现规则的颗粒状,富铝层内部较多的孔洞使得铅液容易渗入涂层内部,导致涂层对钢材的保护有限。

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8为静态腐蚀后的表面形貌图(电镜图)

6高速粉末冲击试验

最后,对处理后钢板进行高速粉末冲击试验,采用精度为0.01g的精密电子秤称重后,置于高速粉末冲击试验箱中,粉末喷枪气压为0.7MPa、喷砂时间1h,试验后称重,并与未做涂层的基体样品失重4.9g作对比分析。根据对比试验前后的重量变化,发现实施例1的质量减少仅为0.27g,较未做涂层样品有着明显提升。实施例2的质量减少仅为0.21g,失重相比减少约23倍。然而,对比例的质量减少1.2g,失重减少约4倍,相较于实施例1和2,其效果并不显著。

综上所述,利用高温热扩散盐浴法,在钢材表面制备的铝钒共渗复合涂层,内部无孔隙、明显裂纹等缺陷,且与钢基材呈现冶金结合,不仅具有良好的耐磨耐蚀性能,还能够解决单一功能涂层难以兼顾的耐磨、耐蚀及耐粉体冲刷等性能的问题,有效延长粉体传输用钢的使用寿命,且该方法工艺简单,能满足多种实际生产需求,具有广阔的工业化应用前景。

作为一家流程工业一体化方案解决商,广东智子始终秉持材料和工艺正向研发理念,不遗余力地为客户创造应用价值,助力产业的创新发展!

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