38CrMoAl鋼表面不同厚度搪瓷涂層的組織和性能

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(1.長安大學材料科學與工程學院，西安 710061；2.寧波工程學院材料與化學工程學院，寧波 315211)

0 引 言

近年來，隨著全球塑料產(chǎn)品消費需求量的增長，注塑機的使用量大幅度增加。螺桿是注塑機的關鍵零部件，常用滲氮鋼(如38CrMoAl鋼)、40Cr鋼、不銹鋼等材料制造。在生產(chǎn)塑料制品的過程中，螺桿常處于高溫、高壓作用下，極易因磨損、腐蝕[1-2]而失效。目前，常采用氣體或離子滲氮、電鍍、冷/熱噴涂等表面處理方法來提高螺桿的耐磨和耐腐蝕性能。但是，表面鉻層因組織不均勻、與基體結合強度低而在工作中易發(fā)生局部脫落，導致螺桿和料筒的磨損或腐蝕；硬質(zhì)合金涂層具有很高的硬度，但是國產(chǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，且耐腐蝕性能也不高；滲氮處理后螺桿的綜合性能較好，但滲氮鋼價格高，滲氮層抗氯化氫腐蝕能力弱。搪瓷材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在金屬表面涂覆搪瓷涂層既能保留金屬材料優(yōu)良的物理和力學性能，又能繼承搪瓷材料優(yōu)異的耐磨、耐高溫、耐腐蝕等性能，而且搪瓷材料安全可靠、無危害，其他任何材料都很難同時具備這些特點。目前，搪瓷涂層在航天、化工等領域已得到較多應用[3-5]。

為此，作者在38CrMoAl鋼表面制備不同厚度的搪瓷涂層，研究了涂層厚度對涂層微觀結構、硬度、耐磨性和耐腐蝕性能的影響，為搪瓷涂層在注塑機螺桿表面的應用提供試驗依據(jù)。

圖1 不同厚度搪瓷涂層試樣的截面OM形貌Fig.1 Cross-section OM morphology of samples with different thicknesses of enamel coating

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

基體材料為38CrMoAl鋼，調(diào)質(zhì)態(tài)，尺寸為28 mm×24 mm×3.5 mm，其化學成分如表1所示；涂層材料為商用A8005搪瓷粉，主要組成有氧化硅、硼砂、鉀長石、鈉長石、氧化鎳、氧化鈷等，由湖南立發(fā)釉彩科技有限公司提供。

表1 38CrMoAl鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical composition of 38CrMoAl steel (mass) %

38CrMoAl鋼試樣經(jīng)脫脂噴砂處理，在丙酮溶液中超聲清洗15 min后，放入干燥箱中待用。稱取適量搪瓷粉，按照搪瓷粉與無水乙醇的質(zhì)量比為3.4∶1量取無水乙醇，在燒杯中用玻璃棒攪拌，再用保鮮膜密封后超聲攪拌20 min，得到搪瓷漿料。將載玻片搭接在38CrMoAl鋼試樣的四周，倒入搪瓷漿料，用刷子刮掉表面多余的漿料后，在45 ℃保溫30 min烘干，再置于MFLC-7/12A型箱式電阻爐中于900 ℃保溫45 min燒結，隨爐冷卻。通過改變載玻片疊放的數(shù)量將涂層的厚度分別控制在116，256，352，470 μm，誤差在±10 μm。

1.2 試驗方法

使用Axio Observer ZIM型光學顯微鏡(OM)觀察涂層試樣的截面形貌。利用MH-5D型顯微硬度計測涂層表面硬度，載荷為0.98 N，保載時間為10 s。利用Hitachi S-4800型掃描電鏡(SEM)觀察涂層截面的微觀形貌，利用附帶的Bruker-5030型能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。使用HT-1000型銷盤摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，溫度為室溫，采用干摩擦方式，載荷為10 N，磨損時間為30 min，轉速為637 r·min-1，配對摩擦副為直徑5 mm的Si3N4陶瓷球。使用Micro XAM-100型白光干涉儀測定磨痕輪廓，計算磨損體積V和磨損率mr，計算公式分別為

V=πdwt/2(1)

mr=wt/(2Fn)(2)

式中：w為磨痕寬度；t為涂層磨損厚度；πd為磨痕中間圓弧對應的圓的周長；F為載荷；n為旋轉圈數(shù)。

使用YFJ-60型鹽霧腐蝕試驗箱進行中性鹽霧腐蝕試驗，腐蝕介質(zhì)為氯化鈉溶液，質(zhì)量濃度為(50±5) g·L-1，溫度為(35±1) ℃，腐蝕時間為144 min，試樣尺寸為28 mm×24 mm×3.5 mm，邊緣用膠帶保護，搪瓷層表面正對鹽霧流動方向。根據(jù)GB/T 6461-2002，以RP/RA來表征試樣的耐腐蝕性能，其中RP為保護評級，RA為外觀評級。RP計算公式為

RP=3(2-lgA)(3)

式中：A為基體金屬腐蝕面積占總腐蝕面積的分數(shù)。

2 試驗結果與討論

2.1 截面形貌

由圖1可以看出：隨著厚度的增加，搪瓷涂層中的氣孔數(shù)量先減后增。在燒結過程中，搪瓷涂層的流平性[6]和產(chǎn)氣量是影響搪瓷涂層氣孔數(shù)量的主要因素。厚度較薄時，搪瓷粉用量較少，產(chǎn)氣量也較少，且搪瓷釉料熔融時氣體更易逸出，但氣體逸出后留下的孔洞沒有足夠的瓷釉進行填充；隨厚度增加，產(chǎn)氣量雖然增大，但熔融瓷釉可充分填充氣孔，因此氣孔數(shù)量減少；當厚度過厚時，產(chǎn)氣量高且瓷釉不易燒透，其流平性較差，因此氣孔數(shù)量又增多。當厚度為256 μm時，整個搪瓷涂層表面光滑致密，細膩度好，且氣孔數(shù)量最少。

由圖2可以看出，256 μm厚搪瓷涂層與38CrMoAl鋼基體的結合界面呈互相鑲嵌的齒狀嚙合，基體與瓷釉之間明顯有物質(zhì)的相互滲透，即瓷釉與基體之間通過機械嚙合力[7]和化學鍵力[8-9]形成了牢固結合。

由表2可以看出：靠近結合界面的基體(位置1)中含有鐵、硅、鎳、氧、鋁等元素，對比基體和搪瓷粉成分可知，熔融的搪瓷粉滲透到了基體中；靠近結合界面的搪瓷涂層(位置2)中含有硅、氧、鈦、鐵等元素，鐵元素的存在說明基體中的元素也擴散進入了涂層中。這種元素的相互擴散有利于提高結合強度。

圖2 256 μm厚搪瓷涂層試樣的截面SEM形貌Fig.2 Cross section SEM morphology of sample with 256 μmthick enamel coating

表2 基體與搪瓷涂層結合界面處不同位置(見圖2)的EDS分析結果(質(zhì)量分數(shù))Tab.2 EDS analysis results of different positions (shown in Fig.2) at bonding interface of substrate and enamel coating (mass) %

2.2 表面硬度

由圖3可以看出：隨著厚度的增加，搪瓷涂層的表面硬度先增后降。涂層的硬度與其致密程度有關，隨厚度的增大，搪瓷涂層中的氣孔數(shù)量呈先減后增的變化趨勢，即致密程度先增后降，因此涂層的表面硬度也先增后降。

圖3 搪瓷涂層的表面硬度隨厚度的變化曲線Fig.3 Surface hardness vs thickness curve of enamel coating

2.3 耐磨性能

由圖4可以看出,116 μm厚搪瓷涂層的摩擦因數(shù)在對磨過程中有較小波動,256 μm厚搪瓷涂層的摩擦因數(shù)最穩(wěn)定,352 μm和470 μm厚搪瓷涂層的摩擦因波動較大。256 μm厚搪瓷涂層內(nèi)的氣孔較少，涂層較致密，在對磨過程中涂層不易剝落[10]，因而摩擦因數(shù)曲線平穩(wěn)；而厚度過低或過高時搪瓷涂層中的氣孔均較多，在對磨過程中涂層極易剝落，因而摩擦因數(shù)曲線波動較大。

圖4 不同厚度搪瓷涂層的摩擦因數(shù)隨磨損時間的變化曲線Fig.4 Friction coefficient vs wear time curves of enamelcoating with different thicknesses

由表3可知，搪瓷涂層的耐磨性隨厚度的增加先增后降，256 μm厚搪瓷涂層的耐磨性最好，其次為116 μm厚涂層的，這與硬度的變化趨勢一致。搪瓷涂層的硬度、與基體的結合強度是影響其耐磨性的主要因素。當厚度為256 μm時，搪瓷涂層的硬度最大，與基體結合緊密，且涂層較致密，因而耐磨性最好；而厚度過低或過高都會導致搪瓷涂層疏松多孔,硬度降低，在摩擦過程中氣孔處的涂層更易剝落，因而耐磨性較差。

表3 不同厚度搪瓷涂層的磨痕寬度、磨損深度、摩擦因數(shù)與磨損率Tab.3 Grinding crack width, wear depth, friction coefficientand wear rate of enamel coating with different thicknesses

2.4 耐腐蝕性能

由圖5可以看出：鹽霧腐蝕68 h時，116 μm厚涂層的表面被腐蝕，腐蝕出現(xiàn)在表面氣孔處，其他厚度涂層的表面沒有明顯的腐蝕痕跡；鹽霧腐蝕144 h時，116 μm厚涂層表面被嚴重腐蝕(箭頭處)，其他厚度涂層表面仍沒有明顯的腐蝕痕跡。計算得到116 μm厚搪瓷涂層的RP/RA為9/2mA，即超過總面積0.1%的基體金屬被腐蝕，超過總面積20%的涂層受到中度腐蝕；256 μm厚搪瓷涂層的RP/RA為10/10vsB，即基體金屬和涂層均很難看到腐蝕痕跡;352 μm和470 μm厚搪瓷涂層的RP/RA均為10/9vsE，即未見基體金屬腐蝕，但涂層表面有輕度的點蝕。綜上所述，116 μm厚搪瓷涂層的耐腐蝕性能最差，256 μm厚搪瓷涂層的最好，352 μm和470 μm厚的次之。這是因為氣孔率是影響搪瓷涂層耐腐蝕性能最主要的因素[6]。厚度過薄使氣孔貫穿整個搪瓷涂層，腐蝕介質(zhì)通過氣孔直接侵蝕金屬基體；厚度適宜的涂層結構較致密，能夠有效阻擋腐蝕介質(zhì)向基體表面的擴散，保護基體不被腐蝕;當厚度繼續(xù)增加時，耐腐蝕性能沒有明顯變化，這是因為雖然厚度增加導致搪瓷涂層氣孔增多，但氣孔并沒有貫穿整個搪瓷涂層，搪瓷涂層對腐蝕介質(zhì)的阻擋作用依然存在。

3 結 論

(1) 在900 ℃保溫45 min燒結后，隨著厚度的增加，搪瓷涂層中的氣孔數(shù)量先減后增，當厚度為256 μm時，涂層燒結致密性較好，表面光滑致密，內(nèi)

圖5 腐蝕不同時間前后不同厚度搪瓷涂層的表面形貌Fig.5 Surface morphology of enamel coating with different thicknesses before (a-d) and after (e-l) etching for different times

部氣孔數(shù)量最少。

(2) 隨著厚度的增加，搪瓷涂層的硬度、耐磨性能和耐腐蝕性能均先增后降，且均在厚度為256 μm時達到最大，硬度為720 HV0.1，磨損率為2.9×10-13m3·N-1·m-1，耐腐蝕性能評級RP/RA為10/10vsB。

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