1、普通低碳鋼外表陶瓷膜層的制備作品名稱類別科技創(chuàng)造制作與性能研究負(fù)責(zé)人主要成員一、當(dāng)前研究現(xiàn)狀：隨著外表處理技術(shù)的開展，金屬的外表陶瓷化處理已成為材料科學(xué)中的熱點(diǎn)課題， 經(jīng)過外表處理，把金屬的韌性和陶瓷的耐腐蝕性、耐磨性、耐高溫?zé)釠_擊性等有機(jī)的 結(jié)合，會很大程度上提高材料的綜合性能，從而擴(kuò)大材料的使用壽命和使用范圍，提 高材料的應(yīng)用價值。低碳鋼的外表處理技術(shù)一般為外表淬火、外表滲碳、外表電鍍和外表熱浸鍍等， 經(jīng)碳過這些技術(shù)處理，低鋼的強(qiáng)度和耐磨性有了一定提高，假設(shè)要大幅提上下碳鋼的 外表性能，低碳鋼的外表陶瓷化便是一個全新的方向。微弧氧化技術(shù)是近年來對金屬進(jìn)行外表處理的一種新方法，又稱微等離子體

2、外表 陶瓷化技術(shù)，是指在普通陽極氧化的根底上，利用弧光放電增強(qiáng)并激活在陽極上發(fā)生 的反響，從而在以鋁、鈦、鎂金屬及其合金為材料的工件外表形成優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化陶瓷膜 的方法。采用專用的微弧氧化電源在工件上施加電壓，使工件外表的金屬與電解質(zhì)溶 液相互作用，在工件外表形成微弧放電，在高溫、電場等因素的作用下，金屬外表形 成陶瓷膜，到達(dá)工件外表強(qiáng)化的目的。但是微弧氧化技術(shù)目前僅局限于有色金屬，如鋁合金、鎂合金、鈦合金的外表處 理，而對應(yīng)用極其廣泛的普通低碳鋼那么是不可行的，因此，如何有效的利用微弧氧化 技術(shù)在普通低碳鋼外表形成陶瓷膜層，具有重要的應(yīng)用價值和挑戰(zhàn)性。國內(nèi)目前研究低碳鋼外表陶瓷層的材料的開展很快

3、，已經(jīng)開始有向鋁合金方向發(fā) 展的趨勢，有的還在鍍層鋁中摻雜稀土等材料，研究低碳鋼的外表陶瓷化具有很大的 實(shí)用價值和意義。國內(nèi)研究低碳鋼外表陶瓷膜層的制備的學(xué)校有：學(xué)校有重慶大學(xué)、燕山大學(xué)、哈 爾濱工業(yè)大學(xué)參考文獻(xiàn)：1孫淑萍，楊飛平，劉銳杰.Q235鋼鐵/Al-Ni鍍層/微弧氧化陶瓷膜的性能研究J.電鍍與環(huán)保，2022，316： 46-482趙國華，壓鑄模具鋼的微弧氧化復(fù)合外表改性D，重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué) 院，2022 ，6-113趙建華，趙國華，李濤，劉鑫，李佳麗，韓二靜.H13熱作模具鋼微弧氧化復(fù)合 陶瓷層的組織和性能J.材料處理學(xué)報，2022，33： 129-132二、作品撰寫的目的和

4、根本思路：低碳鋼是日常生活中很常見的材料，其退火組織為鐵素體和少量珠光體，強(qiáng)度和 硬度較低，塑性韌性較好，在日常生活中應(yīng)用非常廣泛，如日常生活中的各種建筑構(gòu) 件、容器、箱體爐體、農(nóng)機(jī)具、汽車駕駛室、發(fā)動機(jī)罩等，還用于制作強(qiáng)度要求不高 的各種機(jī)械零件。但是，低碳鋼的強(qiáng)度和耐磨性較低，限制了其應(yīng)用。因此，尋找一 種外表處理方法使低碳鋼的外表性能大幅提高非常必要。本實(shí)驗(yàn)的目的：1在低碳鋼外表形成陶瓷膜層，大大提上下碳鋼的外表性能， 使材料強(qiáng)度更高、更耐磨。2尋找一種使微弧氧化技術(shù)不僅僅局限于有色金屬的方 法，讓微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛。微弧氧化形成的陶瓷膜層具有很多特別的性質(zhì)，如硬度、耐磨性、耐腐

5、蝕性、耐 高溫?zé)釠_擊性能等。如果使低碳鋼外表形成一層陶瓷膜層，將會使其具有更多優(yōu)良的 性質(zhì),但是，低碳鋼外表不能直接進(jìn)行微弧氧化，如果將電鍍工藝或熱浸鍍工藝與微弧氧 化工藝相結(jié)合，先在低碳鋼表形成一層鋁金屬薄膜，然后對這層薄膜進(jìn)行微弧氧化， 這樣就會在低碳鋼外表形成一層氧化鋁陶瓷膜層，間接的在低碳鋼外表進(jìn)行了微弧氧 化處理，到達(dá)預(yù)期的目的。氧化鋁陶瓷具有很高的硬度和密度，還具有良好的電絕緣性能，高溫下的電絕緣 性能尤為突出，假設(shè)在低碳鋼外表制備一層氧化鋁陶瓷膜層會使低碳鋼外表性能大大 提高。電鍍和熱浸鍍可以在低碳鋼外表均勻的鍍一層鋁薄膜，對這層鋁薄膜進(jìn)行微弧 氧化，使低碳鋼外表形成一層陶瓷膜層

6、。微弧氧化法與電鍍或熱浸鍍法的結(jié)合，是其他單一的外表強(qiáng)化技術(shù)所沒有的優(yōu)點(diǎn)。 相比于陶瓷噴涂技術(shù)等處理工藝，這種方法制得的工件膜層與基體結(jié)合良好熱浸鍍 與機(jī)體之間為冶金結(jié)合，使低碳鋼與鋁層形成金屬間化合物，鍍層與基體間結(jié)合非常 緊密，膜層厚度也比擬容易控制；相比于合金強(qiáng)化，這種方法所用材料本錢低，適合 工業(yè)生產(chǎn)；與外表滲碳工藝相比，這種方法制得的工件那么有更高的強(qiáng)度和耐磨性；而 且這種方法比其他外表強(qiáng)化工藝的操作工序簡單，電解液污染也比擬小。所以，本次實(shí)驗(yàn)的根本思路是：將微弧氧化工藝與電鍍或熱浸鍍工藝相結(jié)合，使 低碳鋼這種外表不能直接進(jìn)行微弧氧化的金屬材料在其外表形成一層可以進(jìn)行微弧氧 化的鋁金

7、屬薄膜，然后對鋁薄膜進(jìn)行微弧氧化，使低碳鋼外表形成一層陶瓷膜層。然 后，對制備好的材料進(jìn)行一系列性能的研究與測試，主要是耐磨性、耐腐蝕性、導(dǎo)電 性、耐高溫?zé)釠_性。三、作品具體實(shí)施方案:1、陶瓷膜層的制備：1熱浸鍍：熱浸鍍的工藝流程為：除油一除銹一助鍍一保護(hù)非鍍部位一熱浸鍍一清洗a. 除油：除油在加熱到80C至沸騰的普通堿液中進(jìn)行。將油污除盡后經(jīng)水洗然后 除銹。b. 除銹：除銹在配置好的混合酸中進(jìn)行，酸液加熱到50C左右，此溫度下除銹速 度快而且徹底。c. 助鍍：為防止除銹后的鋼件外表氧化為F&Q,用常溫鈍化法處理使鋼件外表瞬間形成FS4O3薄膜，防止被氧化為FaOs，有利于熱浸鍍的進(jìn)行

8、。d. 熱浸鍍：熱浸鍍鋁在坩堝爐中進(jìn)行，為防止鋁液的氧化在其外表添加一層覆蓋 劑，實(shí)驗(yàn)在較低的溫度下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)完成后，用自來水沖洗，自然枯燥。2電鍍：本實(shí)驗(yàn)采用熔鹽電鍍方法在低碳鋼外表電鍍鋁電鍍鋁實(shí)驗(yàn)材料：基體：普通低碳鋼陽極：工業(yè)純鋁實(shí)驗(yàn)所用主要化學(xué)藥品：氯化鈉、氯化鉀、無水三氯化鋁、無水乙醇、丙酮實(shí)驗(yàn)方法：電鍍鋁前期處理及準(zhǔn)備：先將 NaCI和KCI按照1:1比列混合后，烘干。在配置熔 鹽前需將無水AIC3研磨成細(xì)小的碎粒，使其與NaCI和KCI能均勻混合，其三者的質(zhì)量 比是8:1:1,低碳鋼試樣在電鍍前先打磨然后用丙酮浸泡除油， 再用酒精擦凈后將其烘 干。實(shí)驗(yàn)時先將按比例配好的混合鹽裝入

9、干鍋加熱至熔融狀態(tài)，加熱至150 C后，保溫一段時間然后用純鋁做陽極低碳鋼工件做陰極，保持一定的電流密度進(jìn)行電鍍，一 段時間后，切斷電源去除試樣，用水沖洗，烘干。圖hl熔融蠱電謹(jǐn)鋁裝置亦意期Fig 2,1 Schemata Jiagram oi cfectrcplating in tnohcn salt 匸熱社偎乂鋁片3溫度計乩電阻加抽怕3石劇粗尿&試樣孔熔融鹽2、微弧氧化:微弧氧化工藝流程主要按以下幾個步驟進(jìn)行：1工件前期處理：除油和磨光：a. 除油：主要去除工件外表的各種油脂，這些油脂包括植物油、動物油、礦物油 只有將這些油污去除，才能到達(dá)工件的外表完全被溶液所濕潤的目的。本實(shí)驗(yàn)除

10、油時用一般洗滌劑將工件外表清洗干凈即可。b. 打磨：先用砂輪機(jī)磨掉外表的毛刺，再用砂紙對試樣進(jìn)行細(xì)磨，使工件外表更 加平整，生成的微弧氧化膜更加均勻，平整的外表有利于性能的檢測。2微弧氧化：a. 將燒杯放入冷卻水槽中，按要求連接好陰極和陽極，確保工件和線路良好的接 觸。b. 啟動攪拌器，調(diào)節(jié)好轉(zhuǎn)速。c. 啟動電源，選擇適宜的工作方式，按實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定工藝參量進(jìn)行微弧氧化。啟動電源時首先應(yīng)保證合金在外電場的作用下在溶液中形成一層絕緣膜層，這樣 金屬外表就可以由活性溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殁g性溶解狀態(tài)，在調(diào)節(jié)電壓時慢慢調(diào)節(jié)，給金 屬一個鈍化的過程，因?yàn)榻饘偬幱阝g態(tài)時的腐蝕速率較低。d. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，按照正常的

11、順序?qū)㈦妷骸㈦娏鳉w零，關(guān)閉電源及其他設(shè)備。e. 取出工件后用自來水沖洗，起到外表封孔的作用，要求外表不能殘留電解液。f. 自然枯燥后進(jìn)行性能檢測。3、性能研究與測試：工件自然枯燥后對其氧化膜的厚度、耐腐蝕性、硬度、微弧氧化膜的微觀形貌、膜層相組成、膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、力學(xué)性能進(jìn)行一系列測試。a. 外觀檢測：借助天然光或在日光下目測檢驗(yàn)，觀察外表層氧化膜層孔隙大小色 澤是否均勻、有無斑點(diǎn)、脫皮等。b. 厚度測定：使用實(shí)驗(yàn)儀器檢測氧化膜的厚度。c. 耐腐蝕性監(jiān)測：對工件進(jìn)行耐腐蝕性檢測，便是對氧化鋁膜層的耐腐蝕性檢測, 因此參照鋁合金外表微弧氧化膜層的耐腐蝕性檢測方法。25ml/L 重鉻酸鉀3g

12、/L 蒸餾水 75ml/L實(shí)驗(yàn)室用膠頭滴管在微弧氧化膜上滴一滴試驗(yàn)液，并記錄外表液滴由開始滴加到 由黃色開始變綠所需的時間，顏色變綠說明氧化膜已被溶解，使基體鐵與溶液中的六 價鉻發(fā)生氧化復(fù)原反響，使六價鉻被復(fù)原為三價而成為綠色。根據(jù)時間長短來評價氧 化膜的耐腐蝕性。d. 硬度測試：使用洛氏硬度測試方法測定氧化膜的硬度，測定氧化膜的硬度時要 根據(jù)低碳鋼外表陶瓷膜層的厚薄以及估計的硬度值選擇硬度計的使用載荷。e. 微觀形貌：微弧氧化膜的微觀組織包括微觀形貌微觀結(jié)構(gòu)和微觀組成，由于微 弧氧化膜是反光性能不好的陶瓷膜層，所以使用一般的光學(xué)顯微鏡不能觀測其微觀形 貌。通常情況下先對其進(jìn)行噴金處理使其外表

13、導(dǎo)電，然后用掃描電子顯微鏡觀察微弧 氧化膜的微觀組織，掃描電子顯微鏡可以觀察氧化膜上微孔的大小、裂紋的多少和氧 化膜截面的形貌。使用透射電子顯微鏡TEM觀察氧化膜微觀結(jié)構(gòu)及晶粒大小。另 外可用衍射儀器分析陶瓷膜層的相結(jié)構(gòu)。f. 陶瓷膜結(jié)合強(qiáng)度的檢測：利用簡單劃痕法定性分析膜基結(jié)合強(qiáng)度，拉伸剝離法 定量測定膜結(jié)合強(qiáng)度g. 微弧氧化后力學(xué)性能檢測：本試驗(yàn)采用拉伸實(shí)驗(yàn)測量微弧氧化后的工件的力學(xué) 性能，并對其進(jìn)行分析。作品的科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特性：本作品采用微弧氧化技術(shù)與熱浸鍍或電鍍技術(shù)相結(jié)合的方法，在低碳鋼外表制備 了一層氧化鋁陶瓷膜層，解決了低碳鋼實(shí)際應(yīng)用中強(qiáng)度不高和易腐蝕、耐磨性差等問 題，具有以下先進(jìn)性：1、制備的新材料本身的