碳钢热喷涂渗铝工艺的研究进展

时间：2022年03月09日分类：科学技术论文次数：

摘要：在碳钢表面制备铝涂层，可以有效提升碳钢的硬度、抗高温氧化性和耐腐蚀性等。目前，热喷涂渗铝被广泛使用在化工、冶金、电力、石油等行业。介绍了热喷涂渗铝的工艺，分析了热喷涂渗铝的机理，综述了碳钢工件热喷涂渗铝后的性能，最后对热喷涂渗铝工艺的发展趋势

　　摘要：在碳钢表面制备铝涂层，可以有效提升碳钢的硬度、抗高温氧化性和耐腐蚀性等。目前，热喷涂渗铝被广泛使用在化工、冶金、电力、石油等行业。介绍了热喷涂渗铝的工艺，分析了热喷涂渗铝的机理，综述了碳钢工件热喷涂渗铝后的性能，最后对热喷涂渗铝工艺的发展趋势进行了探讨和展望。

　　关键词：碳钢;氧化性;耐腐蚀性;热喷涂渗铝

铝工艺

　　据不完全统计,由于碳钢工件表面磨损、侵蚀、防护问题等导致机械零部件功能失效，每年我国因此造成的钢材消耗在100t以上[1]，且损失可达国民生产总值的10%。所以，为防止碳钢工件表面在高温高压等恶劣环境下被损坏，就需要提升工件的可靠性，人们对此开始进行科学研究。

　　研究发现，铝可以改善碳的磨损及疲劳的程度，且铝以及铝合金成本低廉，而碳钢在渗铝后，具有优良的耐腐蚀、抗高温氧化、耐磨损等优良性能[2-3]。所以，对钢件进行渗铝成为了现代工业普遍应用的技术，并广泛被使用在化工、冶金、电力、石油等行业。渗铝是使用热处理的方法向金属工件表层渗入金属铝原子并形成防护涂层的一种工业技术，且使用渗铝技术在钢材表层覆盖铁铝合金具有优良的防护效果。

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　　20世纪30年代，国外开始出现渗铝技术，渗铝钢的工艺研究以及工业应用在美国、日本、俄罗斯等工业发达国家得到迅速发展，我国则在20世纪50年代末开始渗铝技术的研究与应用[4-5]。常见的渗铝方法较多，主要有固体粉末包埋渗铝法、热浸渗铝法、喷涂渗铝法和气相渗铝法等[6-7]。其中，固体粉末包埋渗铝法粉尘污染环境，劳动强度大，生产效率低[8-9];热浸渗铝法工艺技术难度较大且较难控制，助镀液稳定性较差，容易造成渗漏[10-11];气相渗铝法技术设备复杂，处理温度高，容易使工件变畸形[12]。

　　相比热喷涂渗铝法工艺简洁，涂层厚度容易控制，可以在大面积现场施工，生产效率高，成本低，因此，热喷涂技术在近20年得到迅速发展，热喷涂技术在航空航天、钢铁等领域已经被广泛应用，现有热喷涂技术十几种[13]，其中燃气法喷涂(如火焰喷涂)和气体放电法喷涂(如电弧喷涂)最为常见[14-15]。

　　虽然热喷涂渗铝技术在中国发展趋势较好，但是与其他工业发达国家相比仍有较大差距，技术上还有较多不足之处，亟需进行技术研究与再开发。本文综述了热喷涂法对钢材表面的渗铝工艺和机理，列举了碳钢工件在热喷涂渗铝后的物理和化学性能，并对热喷涂渗铝技术的研究提出了展望。热喷涂渗铝工艺研究热喷涂法与其他渗铝法相比具有以下优势：

　　使用热喷涂法渗铝厚度较易控制，工件涂层的厚度可以从十几微米甚至到近20mm[16];通常不受施工场所的限制，也不受工件尺寸大小的限制，对工件整体表面或限定的部分表面都可以进行操作;制造工件的基体可以使用普通材料替代贵重材料，从而显著降低成本。因此，热喷涂技术成为许多工厂优先选择实用的渗铝方法。碳钢工件热喷涂渗铝工艺过程主要为：预处理(工件表面净化→表面预加工→表面粗化)→喷涂(喷涂底层→喷涂工作层)→喷涂后处理(加热-扩散退化-表面处理)。碳钢工件的基体与热喷涂涂层是以互相镶嵌的机械方式[17]存在，喷涂涂层与工件的结合强度取决于工件的表面准备状态。首先要进行除油、除锈。

　　除油可以用有机溶液例如丙酮来进行清洗工件表面，再用清水冲洗2～3min，确保清洗干净;除锈可以使用盐酸水溶液进行清洗，在常温状态下需要清洗1～2min，清洗时间也可以根据工件表面腐蚀程度适当延长。经过除油、除锈处理后必须要保证工件干净且无杂物无其他污染物，这是为下一步喷砂粗化做准备。喷砂是预处理中非常重要的工序之一，需要根据工件表面质量要求实施操作。

　　用喷料(铜矿砂、石英砂等)将工件外表面进行处理，由于喷料的摩擦和切削，工件表面会产生一定程度的变形和不平整。喷砂的操作对于后期喷涂铝涂层起着关键作用，不平整的表面在喷涂铝涂料后更利于涂料的流平，且铝涂层与工件表层之间会有更强的附着力。

　　工件通过喷砂处理可以彻底去除工件表面的残留污染物，表面变得粗糙不平是为了给热喷涂涂层提供良好的沉积表面，而且能有效阻止在热喷涂过程中发生的工件表面预冷瞬间收缩和工件基体之间界面滑移的问题，从而来提高涂层的结合强度，降低碳钢工件发生应力腐蚀的危险。表面预处理后碳钢工件表面通常呈银白色金属光泽，之后才可以进入下一个工艺步骤。热喷涂渗铝一般常采用火焰喷涂、电弧喷涂，下面就这两种喷涂的工艺过程作简单的阐述。

　　火焰喷涂过程：以火焰为热源，把金属铝融化成熔滴，通过高温或高速气流将熔滴雾化，最后将雾化后的熔融粒子高速喷射到钢件基体上形成铝涂层[18-20]。在火焰喷涂过程中送铝丝速度要把握适当，太快金属铝还没有完全融化易造成材料浪费，太慢会产生铝液飞溅既浪费材料又消耗能源。

　　同时要注意，喷涂时的喷枪口与钢件轴线要成直角，喷枪口与钢件距离不要太近[21]。电弧喷涂过程：在两根金属铝丝上接入20～38V的直流电压，金属铝丝带有不同的极性且彼此绝缘，然后将两根铝丝同时带入送丝机构中，再与喷枪口的两个金属丝接触引燃产生电弧，电弧将金属铝丝尖端融化成高温颗粒，最后将高温颗粒通过雾化快速的喷射到钢件上形成涂层。

　　电弧喷涂过程中，通常在喷铝时空载电压应该调节到30～32V，电流调节到180～200A，在送丝过程中要注意维护送丝软管[22-23]，不要使软管有过大压力或过分弯曲。在热喷涂渗铝过程中经过熔融，铝层瞬间融化成液态，此时在工件界面处与基体会发生强烈的热扩散，等到与工件基体形成冶金涂层后就要进行热扩散处理。

　　取出喷涂后的工件，等它冷却到与室内温度差不多时放入800～1000℃的恒温炉里，需要在炉子里保温3～4h，在此期间，铝原子进入碳钢工件基体内部扩散，以此来得到更深的渗层，扩散退热完成至冷却后就要对渗铝后的工件进行最后的表面处理。

　　碳钢工件热扩散后表面会有些许粗糙，需要使用磨砂打磨至平滑;同时，热喷涂渗铝后的工件会产生一些气孔，且发生率为3%～5%，所以，必须要对工件表面涂层进行密封以及采取一些保护措施。选用保护工件涂层的涂料也是非常重要的，要注意选用能防止空气进入气孔缝隙使钢件产生氧化且保护层不会与碳钢、铝产生化学反应的保护涂料，一般可以选用硼砂饱和溶液、水玻璃等涂料。对工件表面进行封闭处理后，可以有效防止工件氧化，保证良好的渗铝质量。

　　2热喷涂渗铝机理分析

　　碳钢工件表面热喷涂渗铝主要分为两个阶段：热源把铝块加热熔化，使铝块变成熔滴，然后对熔滴进行再加热并推动其雾化成理想的熔融粒子，之后熔融粒子在高温高压的状态下飞速撞击到工件基体表层，随着熔融粒子的不断撞击最终工件基体表层会附着一层铝液，这个过程为第一阶段。

　　经过第一阶段后，附着在工件基体表层上的铝液的外层会与空气中的氧气发生化学反应形成Al2O3，该氧化物是涂层表面最主要的组成相，而直接与工件表层接触的铝液会向基体中扩散，且基体中的铁原子也会同时向铝液中扩散即形成互扩散现象。在扩散初期，主要是在渗层中产生以针状形态散分布的不稳定的Fe-Al金属间化合物。

　　随着扩散的发生，渗层处逐渐形成稳定的Fe-Al金属间化合物，最终形成涂层[24]。在对碳钢进行热喷涂渗铝时，形成稳定Fe-Al金属间化合物的速度和铝液的纯度会对碳钢渗铝后的性能产生重大影响。因此，为快速形成性能优越的涂层，就要确保铝铁互扩散时的速度很快且渗铝的铝液比较纯洁。就一般的渗铝技术而言，由于其处理温度高会导致钢材基体完全奥氏体化，冷却后钢材基体组织会发生重结晶，使得钢材基体心部晶粒强烈粗化，带来钢材原有力学性能的损失，降低碳钢的使用寿命[25]。

　　除此之外，一般渗铝铝液容易受到污染，容易导致涂层与基体的结合强度、涂层的硬度、抗高温氧化性、耐腐蚀性及耐磨损性等性能变差，因此，如何在不降低碳钢原有的力学性能基础上提高涂层与基体的结合强度、涂层的硬度、抗高温氧化性、耐腐蚀性及耐磨损性等成了碳钢渗铝技术的关键问题。研究发现，热喷涂渗铝技术在不改变碳钢原有力学性能的同时会显著提升涂层与基体的结合强度，提高涂层的硬度、抗高温氧化性、耐腐蚀性及耐磨损性。

　　3碳钢工件热喷涂渗铝后的性能

　　3.1涂层与基体的结合强度

　　热喷涂涂层与工件基体的结合是通过熔融和半熔融粒子与工件基体粗糙的表面产生相互咬合而形成的机械结合，其结合强度是热喷涂渗铝涂层的一个非常重要指标。从现有的研究发现，经热喷涂渗铝加工处理后，碳钢工件的涂层与基体表面的结合强度有明显提高。王强等[26-27]通过渗铝试样的铁铝二元相图分析得出，热喷涂渗铝时有残余热量的熔融粒子与铁铝金属间化合物在较低温度环境下产生相变，之后在扩散处理时又产生了更多的相变。这些相变导致在热喷涂渗铝过程中产生了大量的金属间化合物，渗铝后的碳钢工件，表层上的铝元素与碳钢内的金属元素发生扩散反应，铝元素渗入工件内部产生化学反应，使得铝涂层与工件紧密结合。

　　但是，渗铝时间要控制得当，时间过长在涂层界面会产生大量的铁铝化合物，会对结合强度产生不良影响。Wang等[28-29]通过热喷涂粒子撞击基体实验，对喷涂粒子铺展凝固形貌进行分析发现，基体的预热温度从200℃提高到900℃时，钢材表面的氧化层厚度从8nm提高到100～200nm，此时氧化层有效的降低了熔粒的凝固速率，利于熔粒的铺展，从而增加喷涂涂层与基体的结合强度。

　　3.2硬度

　　渗铝涂层的硬度与喷涂的设备、工艺流程等有关，涂层要达到理想硬度就必须准备充足并使用适当的渗铝技术。

　　胡宁等[30]用火焰喷涂制备铝涂层，通过显微仪对渗层硬度曲线分析发现，硬度值先随着渗层厚度增加而增大，最高值达到950HV左右，渗层深度到450μm时，硬度值开始下降。经过热喷涂渗铝的钢件表面涂层硬度并不是最高，亚表面的硬度更高些，最底层的硬度较平缓。在工业钢材应用上，涂层并不是最硬才最好，表层硬度越高脆性反而越大，涂层容易在使用过程中出现因摩擦造成的裂痕甚至剥落，而渗铝后的涂层表面稍软且有一定的湿润度，摩擦时不会因为脆性而直接破裂，亚表层的硬度较高，有效的阻挡了摩擦产生的损害。

　　王群[31]在使用热喷涂渗铝得到试样工件后，对其涂层进行硬度测试发现，渗铝过程中涂层内部不断产生扩散现象，随着扩散的深入，靠近基体的铝资源不断减少且供应不足，产生的铁铝金属化合物也相应减少。因此，渗铝后试样工件的涂层硬度远大于工件基体的硬度，渗层的硬度基本稳定在600～700HV，而到渗层的最底层时，硬度开始逐渐变小并趋于平缓。

　　3.3抗高温氧化性

　　工件涂层里的孔隙和裂纹较多时，高温气体则会流入涂层结合面产生腐蚀直至涂层剥落;涂层的污杂物较多时，会在污杂物处形成点蚀并扩大侵蚀面使涂层剥落;涂层结合强度较弱，在高温热循环过程中涂层较易剥落，所以提高工件抗高温耐氧化性非常重要。魏琪等[32]利用电弧喷涂制备铝涂层，并通过实验对比研究铝基涂层、铁铝涂层和45CT涂层的抗高温氧化性，结果表明电弧喷涂的铝涂层在650℃高温下任具有良好的抗高温氧化性。

　　李德元等[33-34]采用电弧喷涂方法在Q235碳钢基体上渗铝，并对不同试样的氧化动力曲线分析得出，渗铝涂层经过加热扩散处理后，其抗高温氧化性能是未渗铝碳钢的10倍。在热喷涂渗铝过程中，铝的迁移速度远远高于其它元素，铝扩散到边界与氧形成氧化铝膜，氧化铝可以有效阻止金属原子与氧原子的扩散，使涂层的氧化速度降低。另外，涂层孔隙率低，有效的阻挡了氧气的扩散通道，氧化物的生成速度大大降低，从而几乎可以使涂层氧化速度达到完全抗氧化水平。

　　3.4耐腐蚀性

　　碳钢在淡水、大气和土壤等介质中也易被腐蚀，而且钢材是工业上常用的工件。目前，根据在钢构件上的应用发现，经过热喷涂渗铝技术可以很好处理钢材腐蚀问题，不仅有效而且经济实惠。周潘虎等[35]采用超音速电弧喷涂在Q235B钢表面喷涂铝涂层，并使用扫描电子显微镜分析铝涂层在腐蚀前后的组织形貌，实验模拟储罐实际工况，把渗铝钢材浸泡在水/气界面，结果发现涂层与基体紧密结合，孔隙率为5.4%，喷涂涂层的典型特征未被破坏，涂层没有明显腐蚀状态，所以喷涂铝涂层可以显著提高钢材的耐腐蚀性。

　　任春领等[36]在600℃下对电弧喷涂铝涂层、铁铝涂层和A304不锈钢的耐硫化氢腐蚀性能进行对比研究发现，电弧喷涂铝涂层的铝含量高，可以快速形成金属间化合物并有效地阻止硫原子进入基体内。因此，电弧喷涂铝涂层耐硫化氢腐蚀性明显优于铁铝涂层和A304不锈钢。直妍等[37-38]使用电弧喷涂技术在Q235钢板喷涂厚度约为200μm的铝涂层,并用聚氨酯清漆对涂层进行封孔处理。

　　通过金相组织分析试验、电化学测试以及中性盐雾试验研究了涂层的耐蚀性。结果表明：喷涂涂层和基体结合情况良好，通过封孔处理，涂层的腐蚀速度明显下降，对铝涂层进行120h的中性盐零试验,也未发现明显腐蚀痕迹，总体上喷涂铝涂层后钢材耐腐性明显提高。热喷涂渗铝对碳钢工件的耐蚀性有显著提升的效果，经过高温加热熔融的铝在雾化喷射的过程中在涂层表面会形成一层极其紧密的氧化铝薄膜。氧化铝薄膜有效地阻隔了氧气与碳钢工件基体的接触，起到了很好的屏蔽作用，从而使涂层在任何条件下都不易被腐蚀。

　　3.5耐磨损性

　　影响金属磨损性能的主要有三个因素：环境影响包括空气土壤介质，温度等;材料影响包括材料力学性能、内部组织结构等;力学影响包括载荷、滑动速度与距离等。邓代玉[39]通过对未渗铝钢件和渗铝钢件进行磨损测试对比得出：渗铝钢件比未渗铝钢件的磨痕宽度、磨损深度都要小，渗铝钢件的摩擦系数一直趋于平稳，而未渗铝钢件随摩擦过程的进行，摩擦系数一直连续但不平缓，所以渗铝后钢件的耐磨性明显提高。

　　经过热喷涂渗铝的钢件会产生增强耐磨性能效果的铁铝间金属化合物，而且渗铝后钢件的硬度增强可有效抵抗塑性变形进一步提高其耐磨性。热喷涂渗铝后涂层上会出现一些细小的缝隙，喷涂时产生的氧化铝随着气流流入缝隙并形成保护薄膜，而保护薄膜又以不同的形态保存在涂层组织内。所以，即使渗铝钢件的宏观硬度不是很高,但是却仍然具有很好的耐磨性。

　　4结语与展望

　　(1)加强热喷涂渗铝过程中的工艺机理研究，已知的喷涂工艺大概有十几种，常见的有火焰喷涂、电弧喷涂及电离子喷涂等，它们被应用于不同的领域。通过热喷涂渗铝的工艺过程及机理研究，开发出功能更强的热喷涂渗铝工艺。(2)深入研究涂层结合强度、硬度、抗高温氧化性、耐蚀性、耐磨性等性能与热喷涂渗铝工艺之间的关系，通过对这方面的研究，为涂层性能的提升提供可靠的理论基础。(3)加强自动化热喷涂渗铝技术的研究，现有的热喷涂渗铝工艺还是以人工为主，机械为辅的状态，很难实现大规模化的应用，所以应该研究自动化热喷涂渗铝技术，开发新型喷涂工艺设备。

　　参考文献:

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　　[2]王伟，孟，王远,等.稀土元素在渗铝工艺中的应用及研究进展[J].热加工工艺，2018，47(10)：10-13.

　　[3]颉向旭，王宇.碳钢渗铝工艺研究进展[J].热处理技术与装备，2010，31(5)：1-5.

　　[4]周超极，朱胜，王晓明，等.热喷涂涂层缺陷形成机理与组织结构调控研究概述[J].材料导报，2018，32(19)：3444-3455.

　　[5]张冀翔，徐修炎，宋健斐,等.钢的渗铝工艺技术及性能研究进展[J].表面技术，2018，47(2)：218-224.

　　[6]高培.掺杂铝元素的多元共渗复合处理工艺及其防腐蚀性能的研究[D].成都：西南交通大学，2011.

　　[7]李杨，李明，孟.碳钢热浸渗铝工艺的研究进展[J].热加工工艺，2017，46(12)：35-37.

　　[8]ZhouC，XuH，GongS，etal.AstudyofaluminidecoatingsonTiAlalloysbythepackcementationmethod[J].MaterialsScience&EngineeringA，2003，341(1/2)：169-173.

　　作者：崔浩威

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