金相磨拋工藝對(duì)冷噴涂鋅涂層金相評(píng)估結(jié)果的影響

文/南 健 代雪婷（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠）

鋼材作為一種重要的金屬材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、輪船、機(jī)械、化工等諸多領(lǐng)域。由于工作環(huán)境差別較大，且經(jīng)常長(zhǎng)期暴露在高濕度、高鹽度的腐蝕環(huán)境中，腐蝕失效是鋼材重要的失效形式之一[1-3]，對(duì)各領(lǐng)域重要設(shè)施的運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅。鋅作為一種較為活潑的化學(xué)元素，常作為犧牲陽(yáng)極用于鋼材的防腐蝕層[4-5]。傳統(tǒng)電鍍鋅處理方法要求必須將零件放入槽液中，因此對(duì)設(shè)備和場(chǎng)地的要求更高，廢棄槽液對(duì)環(huán)境污染更嚴(yán)重[6]；而電弧噴鋅的加工方法需將鋅材加熱至熔融的狀態(tài)，該方法制備的鋅涂層內(nèi)部氧化和晶粒長(zhǎng)大的情況較為嚴(yán)重。

冷噴涂技術(shù)是一種以惰性氣體作為加速介質(zhì)，帶動(dòng)固態(tài)金屬顆粒以極高的速度碰撞基板，使顆粒發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形而沉積的新型噴涂技術(shù)[7-8]。該技術(shù)可應(yīng)用于鋁、鋅、銅等易變形金屬涂層的制備。與傳統(tǒng)的電鍍鋅和電弧噴鋅技術(shù)相比，冷噴涂鋅工藝的環(huán)境污染低，且制備的鋅層氧化率低，對(duì)鋼制基材的熱輸入也更低。而金相檢測(cè)是冷噴涂涂層質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，由于鋼制基體的硬度普遍在300 HV 以上，與鋅涂層的硬度差異極大，增加了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)冷噴涂鋅涂層質(zhì)量的難度。本研究以30CrMnSiA 為基體，在其表面制備冷噴涂鋅涂層，探究不同的金相磨拋工藝對(duì)冷噴涂鋅涂層金相檢測(cè)結(jié)果的影響。

一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)選用30CrMnSiA 不銹鋼為基體材料，使用加拿大Centerline 公司的SST-Z5001 型純鋅粉末（純度大于98%）為原材料，制備冷噴涂鋅涂層。

2.涂層制備

噴涂前，對(duì)30CrMnSiA 不銹鋼基體表面進(jìn)行磨削處理，去除表面銹跡，再使用丙酮對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗，去除試樣表面油脂和油液。隨后，采用60 目白剛玉砂對(duì)試樣表面進(jìn)行噴砂粗化，得到粗糙度Ra3～4 μm的表面。再使用Centerline 公司的SST-PX 型低壓冷噴涂設(shè)備在基材表面制備厚度約為150 μm 的鋅涂層。

3.實(shí)驗(yàn)方法

在一片噴涂試片上使用Struers 公司的Secotom-60 高速精密切割機(jī)取4 件樣品，并用CitoVac 真空冷鑲嵌機(jī)鑲嵌金相試樣。再以Struers 公司的Tegramin-30 自動(dòng)磨拋機(jī)為平臺(tái)，選擇常規(guī)的SiC 砂紙進(jìn)行粗磨，用MD-Largo 盤(pán)進(jìn)行精磨，再依次使用MD-Mol 和MD-Nap 配合3 μm 和1 μm 金剛石拋光液進(jìn)行拋光。通過(guò)調(diào)控研磨和拋光壓力，探究金相磨拋工藝的影響。具體的磨拋工藝對(duì)比組見(jiàn)表1。

表1 冷噴涂純鋅涂層金相磨拋工藝對(duì)比組

涂層制備后，利用Zeiss 公司的Aixo Observer 3m倒置金相顯微鏡及其配套的金相分析軟件對(duì)試樣進(jìn)行觀察和孔隙率分析，再利用ZEISS 的EVO18 掃描電子顯微鏡對(duì)金相組織進(jìn)行觀察，分析涂層內(nèi)部組織成分及污染物情況。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.金相顯微鏡觀察結(jié)果分析

將制備的冷噴涂純鋅涂層在金相顯微鏡下放大200 倍，觀察到的金相結(jié)果如圖1 所示，圖中的4 張圖分別對(duì)應(yīng)4 組樣品。從圖1（a）可見(jiàn)，在10 N 的磨拋壓力下，其表面黏附部分細(xì)小的黑色斑點(diǎn)，且大部分聚集在涂層及基體的界面處。這是由于鋅涂層的硬度較低（約為60 HV），與鋼制基體的硬度（大于300 HV）差距較大，因此在金相磨拋的過(guò)程中，鋼制基體去除速率低于鋅涂層，涂層與基體之間形成階差，拋光去除的涂層、基材或脫落的拋光布絨毛累積在此位置，使得無(wú)法對(duì)涂層的孔隙率進(jìn)行分析。當(dāng)磨拋壓力增大到15 N 時(shí)，涂層與基體的階差減小，界面處無(wú)黑色斑點(diǎn)聚集的情況，但由圖1（b）可見(jiàn)，涂層表面均勻分布黑色斑點(diǎn)，且此時(shí)的黑色斑點(diǎn)尺寸略大于圖1（a）中的黑色斑點(diǎn)。在金相顯微鏡下，其形貌與孔隙相近，經(jīng)金相分析軟件檢測(cè)，孔隙率為0.19%。將磨拋壓力分別增大至20 N 和25 N，由圖1（c）和圖1（d）可見(jiàn)，涂層表面的黑色斑點(diǎn)基本消失，涂層組織均勻連續(xù)，孔隙率分析結(jié)果為0.02%。因此可以推測(cè)，當(dāng)磨拋壓力較低時(shí)，一些拋光去除的顆粒物嵌入較軟的鋅涂層內(nèi)部，形成黑色斑點(diǎn)，干擾了涂層金相檢測(cè)結(jié)果。為詳細(xì)分析金相組織表面黑色斑點(diǎn)的具體形貌和成分，使用掃描電子顯微鏡對(duì)金相組織局部進(jìn)行分析。

圖1 冷噴涂純鋅涂層金相組織

2.掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果分析

為準(zhǔn)確判斷金相分析結(jié)果的可靠性，分析污染物的組成，使用掃描電子顯微鏡觀察前三組涂層組織并對(duì)污染物局部放大。當(dāng)磨拋壓力為10 N 時(shí)，涂層表面有部分黑色斑點(diǎn)〔圖2（a）〕，涂層與基體的界面處尤其嚴(yán)重，將污染物放大可見(jiàn)，此時(shí)污染物尺寸較小，呈浮凸?fàn)睢矆D2（b）〕。說(shuō)明當(dāng)磨拋壓力較小時(shí)，金相試樣表面材料去除效率過(guò)低，而鋅涂層的硬度低、塑韌性好，故脫落的顆粒物黏附于涂層表面。當(dāng)磨拋壓力增大至15 N 時(shí)，浮凸的黑色斑點(diǎn)消失，涂層表面均勻分布著類似孔隙的黑色斑點(diǎn)〔圖2（c）〕。將其放大可見(jiàn)，該類黑色斑點(diǎn)嵌入了涂層內(nèi)部，尺寸約為3 μm〔圖2（d）〕，且能譜分析結(jié)果表明，該污染物的碳含量較高，達(dá)44.51%，故該黑色斑點(diǎn)應(yīng)為拋光液中的金剛石磨料。在15 N 的磨拋壓力下，涂層的拋光效果增強(qiáng)，消除了脫落的顆粒物黏附涂層的情況，但表層材料的去除效率仍然不足，故部分磨料殘留在涂層內(nèi)，在金相顯微鏡下，形貌與孔隙相近，干擾了涂層孔隙率的分析結(jié)果。當(dāng)磨拋壓力進(jìn)一步增大至20 N 以上，嵌入的磨料消失，僅存在少量黑點(diǎn)〔圖2（e）〕，經(jīng)放大觀察，該黑點(diǎn)形貌為典型的涂層孔隙〔圖2（f）〕，故可真實(shí)表征涂層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

圖2 冷噴涂純鋅涂層掃描電鏡圖像

三、結(jié)論

本文利用冷噴涂制備純鋅涂層，經(jīng)不同的金相研磨和拋光工藝制備涂層金相發(fā)現(xiàn)，金相研磨和拋光工藝對(duì)涂層孔隙率的評(píng)定結(jié)果有較大影響。由于鋅涂層的硬度低，塑韌性好，在10 N 的磨拋壓力下，脫落的顆粒物黏附于涂層表面，且鋼制基體的去除效率過(guò)低，在涂層與基體界面處形成大的階差，使脫落的顆粒物在界面處呈現(xiàn)聚集的情況，涂層組織無(wú)法觀察。當(dāng)磨拋壓力增大至15 N，污染物黏附于涂層表面的情況得到改善，涂層表面均勻分布黑色斑點(diǎn)，形貌與孔隙相似，孔隙率分析結(jié)果為0.19%。但經(jīng)掃描電鏡觀察及能譜分析，該黑色斑點(diǎn)為拋光磨料嵌入涂層導(dǎo)致而非孔隙。隨著拋光壓力的進(jìn)一步增大，涂層表面僅存少量黑點(diǎn)，經(jīng)掃描電鏡觀察，為涂層孔隙，孔隙率分析結(jié)果為0.02%。結(jié)合鋼制基體和鋅涂層材料特性，降低磨拋工藝對(duì)涂層組織評(píng)定的影響，建議使用20 N 以上的磨拋壓力開(kāi)展鋼制基體表面冷噴涂鋅涂層的金相制備，以獲得更加準(zhǔn)確的金相評(píng)定結(jié)果。