基體組織與納米SiO2對(duì)35CrMnSi鋼表面磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜的結(jié)構(gòu)與性能的影響.pdf

1、金屬的化學(xué)轉(zhuǎn)化處理是通過(guò)其在特定溶液中發(fā)生化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)形成與基體整體結(jié)合的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，該膜層廣泛用于涂裝底層，同時(shí)具有防腐、耐磨減摩、潤(rùn)滑等特性。納米材料具有特殊的結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的性能，將納米材料引入到化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)異特性的結(jié)合。目前，通過(guò)在鉬酸鹽轉(zhuǎn)化中摻加納米SiO2顆粒、在磷酸鹽轉(zhuǎn)化中摻加納米Al2O3，TiO2和SiO2顆粒，可以起到細(xì)化晶粒、提高膜層致密性及耐蝕性的作用。然而，納米顆粒對(duì)化學(xué)轉(zhuǎn)化更全面的影響尚未有深

2、入的研究，且納米顆粒在轉(zhuǎn)化液中的團(tuán)聚問(wèn)題也亟需解決。
　　本研究利用化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法在防腐及耐磨要求較高的航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的35CrMnSi鋼表面制備磷酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化(Phosphate ChemicalConversion，PCC)膜，并將自制納米SiO2引入PCC技術(shù)中。研究了鐵粉熟化時(shí)間、轉(zhuǎn)化時(shí)間、轉(zhuǎn)化液流動(dòng)狀態(tài)等工藝參數(shù)對(duì)PCC膜形貌和物相的影響，確定了合適的轉(zhuǎn)化工藝條件。研究了35CrMnSi鋼不同組織狀

3、態(tài)對(duì)其表面PCC膜的結(jié)構(gòu)與耐蝕性能的影響。系統(tǒng)研究了納米SiO2的摻加方式與摻加量等參數(shù)對(duì)PCC膜的形貌、物相以及表面粗糙度、結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等性能的影響。在此基礎(chǔ)上，探討和分析了鋼表面PCC膜的成膜機(jī)理和納米SiO2對(duì)PCC膜的作用影響機(jī)理。
　　結(jié)果表明，適宜于35CrMnSi鋼的常溫(25±5℃)轉(zhuǎn)化工藝參數(shù)為:pH值為2.75±0.5、鐵粉熟化時(shí)間為12h、轉(zhuǎn)化時(shí)間為20 min?；w的不同組織狀態(tài)影響其表面PCC

4、膜的成膜速率、晶粒尺寸及耐蝕性能。不同組織狀態(tài)的35CrMnSi鋼的成膜速率由快到慢的順序?yàn)?淬火＞調(diào)質(zhì)＞低溫回火＞正火＞軋制。淬火和低溫回火處理后形成PCC膜的晶粒尺寸較軋制和正火稍有減小，調(diào)質(zhì)處理后晶粒明顯細(xì)化。不同組織狀態(tài)的35CrMnSi鋼經(jīng)轉(zhuǎn)化后，其耐蝕性由優(yōu)到差的順序?yàn)?調(diào)質(zhì)＞低溫回火＞淬火＞正火＞軋制。
　　采用溶膠-凝膠法制備了納米SiO2，呈規(guī)則球形，平均粒徑為100nm，為非晶結(jié)構(gòu)。采用以懸浮液和粉末兩種形式摻

5、加，摻加量分別為0.5-2.0 g/L和50-200mL/L。確定了先超聲20 min后繼續(xù)攪拌30 min的分散方式，有利于復(fù)合轉(zhuǎn)化液的分散，改善其均勻性和穩(wěn)定性。
　　兩種摻加方式下不同摻加量對(duì)PCC膜形貌、膜重和物相均有影響。摻加納米SiO2提高了PCC膜的致密性，細(xì)化了膜層晶粒，減小了膜層厚度。納米SiO2沒(méi)有改變PCC膜的物相種類及晶體優(yōu)先生長(zhǎng)方向，僅使得晶體衍射峰強(qiáng)度有所降低。摻加懸浮液的方式能夠提高納米SiO2在膜層

6、中的含量，且不改變磷酸鹽晶體的形貌結(jié)構(gòu)，這均是由于摻加懸浮液的方式能夠保證納米SiO2在轉(zhuǎn)化液中具有良好的分散性。
　　兩種摻加方式下不同摻加量對(duì)PCC膜表面粗糙度、結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等性能的影響顯著。摻加納米SiO2減小了PCC膜的表面粗糙度，隨著SiO2摻加量的增大，表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢(shì)，摻加量為1.0 g/L(100 mL/L)時(shí)表面粗糙度最小，分別為0.63μm和0.59μm。摻加納米SiO2沒(méi)有降低PCC

7、膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度。摻加納米SiO2增大了PCC膜的摩擦系數(shù)，隨著SiO2摻加量的增大，摩擦系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)，摻加量為1.0 g/L(100 ml/L)時(shí)摩擦系數(shù)最大，分別為0.643和0.659。摻加納米SiO2減小了PCC膜的磨痕寬度，磨痕寬度隨納米SiO2摻加量的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，濃度為1.0 g/L(100ml/L)時(shí)，磨痕寬度最小，分別為890μm和900μm。電化學(xué)分析表明1g/L納米SiO2粉末和100 m

8、L/L納米SiO2懸浮液摻加量下，PCC膜的耐蝕性最好。
　　通過(guò)短時(shí)間轉(zhuǎn)化成膜分析可以得出35CrMnSi鋼表面的PCC膜是由與基體緊密相連的非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層和外部的晶體層組成。晶體層的物相組成為Zn3(PO4)2·4H2O和少量的Zn2Fe(PO4)2·4H2O，非晶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層由Fe2O3和FePO4組成。PCC膜的形成過(guò)程可分為基體的腐蝕溶解、非晶相沉積、磷酸鹽的結(jié)晶和長(zhǎng)大以及轉(zhuǎn)化膜形成和溶解的動(dòng)態(tài)平衡階段。
　　納米S