發(fā)布于2024.04.12
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作者:智子智能
導語：隨著粉體傳輸行業(yè)對特種粉體/料漿種類擴大和自動傳輸效率提升需求的日益增長，現(xiàn)有涂層難以滿足嚴苛的工作要求。
廣東智子所設立的二向箔實驗室，致力于推動流程工業(yè)的發(fā)展變革，可實現(xiàn)從材料測試、工藝技術(shù)創(chuàng)新到智能裝備應用的全流程服務，為智能工廠發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力提供技術(shù)支持。為應對復雜多變的市場需求，二向箔實驗室與中南大學加快產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新，共同開發(fā)出一種粉體傳輸用鋼表面鋁釩共滲耐磨耐蝕涂層的制備方法，助力企業(yè)在高性能涂層技術(shù)上的創(chuàng)新應用！
一、表面處理技術(shù)的應用背景
伴隨著新能源、精細化學化工及粉末冶金等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)正迎來產(chǎn)能優(yōu)化升級與自動化控制發(fā)展新機遇，疊加智慧工廠/智能產(chǎn)線對產(chǎn)品一致性和高效性要求的提升，粉體高速傳輸逐漸成為現(xiàn)代智能工廠建設的重要驅(qū)動力。在粉體高速攪拌及傳輸?shù)倪^程中，粉末/漿料將對鋼罐體和鋼管道進行快速沖擊或持續(xù)腐蝕，一方面易使鋼材表面磨損腐蝕，另一方面則易引入鋼鐵粉末雜質(zhì)，無論是對設備還是輸送原料而言，均具有嚴重損傷。
在惡劣的運行環(huán)境中，鋼罐體和鋼管道常常受到腐蝕性液體、粉體運輸以及高溫金屬液體的腐蝕和沖刷磨損，嚴重影響鋼管的使用壽命，需花費大量的人力和物力進行維修更換。因此，如何提高鋼罐體和鋼管道等鋼材表面的耐磨、耐蝕性能是一個持久且必要的研究方向。
圖1為鋼管受沖刷磨損示意圖
二、為什么要開發(fā)新型涂層技術(shù)？
當前，對鋼材進行表面處理被認為是提高強度和耐磨損性能的有效途徑。在實際應用中，針對鋼材的傳統(tǒng)表面處理主要有電鍍、滲鑄、熱噴涂等，但這些方法均存在涂層硬度較低、均勻性較差以及易于脫落等問題。而先進表面處理方式主要有物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）等，但其成本高、尺寸小、內(nèi)腔難施鍍等問題，限制了它們在某些領域上的廣泛應用。
例如，采用熱噴涂方式，在鋼材表面噴涂一層鉻或鎳等合金粉末作為耐磨耐蝕涂層，雖然涂層制備方式簡單，但金屬涂層易在水中形成原電池，加劇局部腐蝕。同時，噴涂的鉻、鎳涂層硬度較低，抗磨性能較差，耐粉末沖刷能力難以達到要求，且對鋼材的保護年限較短，因此開發(fā)新型的涂層技術(shù)對鋼材保護至關(guān)重要。
三、什么是高溫熱擴散鹽浴法？
高溫熱擴散鹽浴法是一種在鋼材表面制備涂層的方法，相較于物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、激光表面處理、表面鍍金屬、滲碳及滲氮等其他表面處理方式，高溫熱擴散鹽浴法處理后的涂層擁有更優(yōu)的硬度和耐磨性能，同時基體與覆層之間為冶金結(jié)合，結(jié)合強度更高，達到E-7結(jié)構(gòu)膠強度極限（86MPa）之上，更耐剝落。
四、鋁釩共滲復合涂層的制備工藝
1、制備工藝介紹
為制備高性能涂層，廣東智子基于二向箔實驗室和產(chǎn)學研平臺，根據(jù)粉體傳輸特性，采用高溫熱擴散鹽浴法，將已去除油污和氧化層的鋼基材置于鹽浴劑中保溫一段時間(一般為2-4h)，所述鹽浴劑為Na2B4O7、Na3AlF6、Al粉、NaF和助熔劑NaCl等混合物，溫度為800-880℃。
隨后，添加V2O5和CeO2，升溫至880-940℃(保溫時間為4-8h)，進行高溫熱擴散鹽浴滲釩處理，每隔1h采用電磁攪拌等方式對鹽浴爐進行攪拌，在鋼材表面制備鋁釩共滲復合涂層，涂層厚度為20-50μm。通過多種精密測量儀器來獲取實驗材料的成分含量，分析復合涂層的性能表現(xiàn)，推動材料工藝的持續(xù)優(yōu)化創(chuàng)新。
圖2為鹽浴爐示意圖（鹽浴劑和鋼基材都置于坩堝4進行處理，由測溫熱電偶3進行測溫）
2、相關(guān)反應方程式
從反應方程式可知，當Na2B4O7、Na3AlF6、Al、NaF和助熔劑NaCl經(jīng)過加熱熔化后，熔融的Na3AlF6、NaF及Al之間發(fā)生反應(1.1)和反應(1.2)，原子Al與Al3+ 離子反應生成的Al1+活性離子吸附到基體材料表面，然后向內(nèi)部擴散形成滲鋁層。
圖3為復合涂層的相關(guān)反應方程式
在加入V2O5和催滲劑CeO2時，硼砂作為活性金屬原子存在和傳輸?shù)妮d體，在熔融狀態(tài)下，會發(fā)生分解反應(1.3)，生成偏硼酸鈉和硼酐。緊接著，由Al作為還原劑發(fā)生反應(1.4)，將V2O5中的V元素還原出來，擴散進入鋼材表面沉積。與此同時，鋼基體的游離碳沿著滲鋁所形成的擴散通道，與活性釩原子發(fā)生反應(1.5)，形成碳化釩層。
該外層高硬度碳化釩層顯著提高了鋼材的耐磨性能，而內(nèi)層鋁化物層使得鋼材具有優(yōu)越的耐蝕性能，因此該涂層方案既提高了鋼材的耐腐蝕性能，也提升了鋼材的耐磨損性能。
五、鋁釩共滲耐磨耐蝕涂層的制備過程
將鋼材經(jīng)線切割成200×200×4mm的正方形試樣，對其表面進行砂紙打磨，以去除表面油污和氧化層，并用酒精清洗吹干。按表1的實驗要求，稱取實施例1、實施例2及對比例中各物料重量，混合均勻并以5℃/min的速度加熱，待鹽浴反應充分后進行高溫熱擴散鹽浴處理。
表1為各物料配比參數(shù)
依據(jù)表2中的溫度參數(shù)，將預處理后的試樣放置在惰性氣氛爐中保溫30min，隨后置入鹽浴爐中保溫，在高溫熱擴散鹽浴滲鋁處理過程中，每隔1h采用電磁攪拌等方式對鹽浴爐進行攪拌，保持鹽浴的流動性，以保證試樣表面活性金屬原子的充足供應，確保滲鋁涂層的均勻性。
表2為實驗溫度參數(shù)
如表3所示，在鹽浴爐中添加剩余物料，采用電磁攪拌等方式對鹽浴爐進行攪拌，將爐溫繼續(xù)以2℃/min升高至預設溫度，每隔1h就對鹽浴爐進行攪拌，直至保溫結(jié)束。
表3為剩余物料配比參數(shù)
六、實驗分析
1、表面形貌分析
復合涂層的表面微觀形貌如圖4所示，實施例1和實施例2的涂層表面較為光滑平整、無明顯裂紋與孔隙，而對比例的涂層表面出現(xiàn)部分微裂紋，且表面粗糙不平。
圖4為表面形貌圖（電鏡圖）
2、截面形貌分析
從涂層截面的微觀形貌可看出，鋁釩共滲涂層分為明顯的兩層。實施例1和實施例2的厚度分別大約為35μm和30μm，涂層內(nèi)部無大裂紋與氣孔雜質(zhì)等缺陷，外層為碳化釩層，內(nèi)層主要成分為富鋁層，且與基材之間連接緊密，無明顯缺陷，基材與擴散層界面結(jié)合良好。而對比例中的涂層厚度大約為25μm，內(nèi)部可看見較多的孔洞，滲釩層與富鋁層的結(jié)合較差，這可能是由于滲釩溫度過低、鹽浴配方不佳所導致。
圖5為截面形貌圖（電鏡圖）
3、摩擦磨損后的表面形貌分析
從涂層摩擦磨損后的表面形貌可看出，在實施例1的磨痕附近，磨屑較少，磨痕顏色加深且磨痕較淺，可推測涂層樣品在摩擦磨損測試過程中發(fā)生了氧化磨損。此外，實施例2的涂層表面磨屑較少，在剪切、撕裂等作用下，磨痕深處產(chǎn)生片狀剝落，且磨痕顏色變深，表明涂層試樣在摩擦磨損測試過程中發(fā)生了氧化磨損和疲勞磨損。
對比例的磨痕附近存在較多磨屑，且出現(xiàn)大量的明顯裂紋，部分區(qū)域還存在著因粘著、撕脫作用而產(chǎn)生的不規(guī)則坑，這說明在磨損過程中發(fā)生了粘著磨損。另外，由于涂層存在較多孔洞，在磨損期間，磨球與涂層在孔洞處的接觸面積減少，壓強增大，并在孔洞邊緣產(chǎn)生剪切形變，當形變超過涂層的強度極限后，裂紋開始萌生。
圖6為摩擦磨損后的表面形貌圖（電鏡圖）
4、摩擦系數(shù)分析
圖7為摩擦系數(shù)曲線圖，對比發(fā)現(xiàn)實施例1的摩擦系數(shù)僅為0.258，明顯低于對比例1的0.501，說明鋁釩共滲復合涂層大幅提高了鋼材的耐磨性能。同樣地，實施例2的摩擦系數(shù)僅為0.282，明顯低于對比例的0.501。其摩擦曲線呈先增加后逐漸減小的趨勢，推測在磨損過程中，隨磨損時間增長，磨損所產(chǎn)生的磨屑逐漸被壓入到磨槽底部，使得磨槽表面的粗糙度增加，摩擦系數(shù)在干摩擦過程中也隨之提升。但由于碳化釩涂層的硬度高，磨屑被壓入量較少，因此其摩擦系數(shù)的變化也較小。
然而，對比例中的摩擦系數(shù)為0.501，遠大于其他涂層。這是因為在摩擦的初始階段，接觸面積較小，所產(chǎn)生的壓強大，在發(fā)生粘著磨損后，接觸面變得更加不平整，摩擦系數(shù)也不斷提升。伴隨著干摩擦產(chǎn)生的大量熱而出現(xiàn)氧化磨損，氧化后的磨屑被壓入基體，使基體變得更為不平整，撕脫和磨屑壓入現(xiàn)象與摩擦過程中起伏不定的摩擦系數(shù)相對應。
圖7為滑動摩擦系數(shù)對比圖
5、靜態(tài)腐蝕后的表面形貌分析
圖8為涂層試樣600h鉛液腐蝕測試結(jié)果，從圖中可看出實施例1經(jīng)腐蝕后，涂層表面仍存在一層氧化膜保護層，僅在局部區(qū)域出現(xiàn)腐蝕孔洞，說明涂層可有效提升鋼基材的耐腐蝕能力。實施例2的涂層表面較為平整，局部出現(xiàn)部分點蝕和凹坑，說明鉛液對涂層有輕微的侵蝕，但由于涂層內(nèi)層富鋁層不斷形成Al2O3膜，對鋼基材起到很好的保護作用。
而對比例中的涂層表面可以看到明顯的腐蝕特征，表面出現(xiàn)疏松、細碎且均勻分布的腐蝕產(chǎn)物。腐蝕層為兩層，外層的腐蝕層出現(xiàn)部分破碎和脫落的現(xiàn)象，而內(nèi)層的腐蝕產(chǎn)物則呈現(xiàn)規(guī)則的顆粒狀，富鋁層內(nèi)部較多的孔洞使得鉛液容易滲入涂層內(nèi)部，導致涂層對鋼材的保護有限。
圖8為靜態(tài)腐蝕后的表面形貌圖（電鏡圖）
6、高速粉末沖擊試驗
最后，對處理后鋼板進行高速粉末沖擊試驗，采用精度為0.01g的精密電子秤稱重后，置于高速粉末沖擊試驗箱中，粉末噴槍氣壓為0.7MPa、噴砂時間1h，試驗后稱重，并與未做涂層的基體樣品失重4.9g作對比分析。根據(jù)對比試驗前后的重量變化，發(fā)現(xiàn)實施例1的質(zhì)量減少僅為0.27g，較未做涂層樣品有著明顯提升。實施例2的質(zhì)量減少僅為0.21g，失重相比減少約23倍。然而，對比例的質(zhì)量減少1.2g，失重減少約4倍，相較于實施例1和2，其效果并不顯著。
綜上所述，利用高溫熱擴散鹽浴法，在鋼材表面制備的鋁釩共滲復合涂層，內(nèi)部無孔隙、明顯裂紋等缺陷，且與鋼基材呈現(xiàn)冶金結(jié)合，不僅具有良好的耐磨耐蝕性能，還能夠解決單一功能涂層難以兼顧的耐磨、耐蝕及耐粉體沖刷等性能的問題，有效延長粉體傳輸用鋼的使用壽命，且該方法工藝簡單，能滿足多種實際生產(chǎn)需求，具有廣闊的工業(yè)化應用前景。
作為一家流程工業(yè)一體化方案解決商，廣東智子始終秉持材料和工藝正向研發(fā)理念，不遺余力地為客戶創(chuàng)造應用價值，助力產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展！
