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金属的化学转化处理是通过其在特定溶液中发生化学与电化学反应形成与基体整体结合的化学转化膜,该膜层广泛用于涂装底层,同时具有防腐、耐磨减摩、润滑等特性。纳米材料具有特殊的结构及优异的性能,将纳米材料引入到化学转化技术中,可实现两者优异特性的结合。目前,通过在钼酸盐转化中掺加纳米SiO2颗粒、在磷酸盐转化中掺加纳米Al2O3,TiO2和SiO2颗粒,可以起到细化晶粒、提高膜层致密性及耐蚀性的作用。然而,纳米颗粒对化学转化更全面的影响尚未有深入的研究,且纳米颗粒在转化液中的团聚问题也亟需解决。本研究利用化学转化的方法在防腐及耐磨要求较高的航空航天、机械制造等领域具有广泛应用的35CrMnSi钢表面制备磷酸盐化学转化(Phosphate Chemical Conversion,PCC)膜,并将自制纳米SiO2引入PCC技术中。研究了铁粉熟化时间、转化时间、转化液流动状态等工艺参数对PCC膜形貌和物相的影响,确定了合适的转化工艺条件。研究了 35CrMnSi钢不同组织状态对其表面PCC膜的结构与耐蚀性能的影响。系统研究了纳米SiO2的掺加方式与掺加量等参数对PCC膜的形貌、物相以及表面粗糙度、结合强度、耐磨性、耐蚀性等性能的影响。在此基础上,探讨和分析了钢表面PCC膜的成膜机理和纳米SiO2对PCC膜的作用影响机理。结果表明,适宜于35CrMnSi钢的常温(25±5℃C)转化工艺参数为:pH值为2.75±0.5、铁粉熟化时间为12 h、转化时间为20 min。基体的不同组织状态影响其表面PCC膜的成膜速率、晶粒尺寸及耐蚀性能。不同组织状态的35CrMnSi钢的成膜速率由快到慢的顺序为:淬火>调质>低温回火>正火>轧制。淬火和低温回火处理后形成PCC膜的晶粒尺寸较轧制和正火稍有减小,调质处理后晶粒明显细化。不同组织状态的35CrMnSi钢经转化后,其耐蚀性由优到差的顺序为:调质>低温回火>淬火>正火>轧制。采用溶胶-凝胶法制备了纳米SiO2,呈规则球形,平均粒径为100nm,为非晶结构。采用以悬浮液和粉末两种形式掺加,掺加量分别为0.5-2.0 g/L和50-200 mL/L。确定了先超声20 min后继续搅拌30 min的分散方式,有利于复合转化液的分散,改善其均匀性和稳定性。两种掺加方式下不同掺加量对PCC膜形貌、膜重和物相均有影响。掺加纳米SiO2提高了 PCC膜的致密性,细化了膜层晶粒,减小了膜层厚度。纳米SiO2没有改变PCC膜的物相种类及晶体优先生长方向,仅使得晶体衍射峰强度有所降低。掺加悬浮液的方式能够提高纳米SiO2在膜层中的含量,且不改变磷酸盐晶体的形貌结构,这均是由于掺加悬浮液的方式能够保证纳米SiO2在转化液中具有良好的分散性。两种掺加方式下不同掺加量对PCC膜表面粗糙度、结合强度、耐磨性、耐蚀性等性能的影响显著。掺加纳米SiO2减小了 PCC膜的表面粗糙度,随着SiO2掺加量的增大,表面粗糙度呈先减小后增大的趋势,掺加量为1.0 g/L(100 mL/L)时表面粗糙度最小,分别为0.63 μm和0.59 μm。掺加纳米SiO2没有降低PCC膜与基体的结合强度。掺加纳米SiO2增大了 PCC膜的摩擦系数,随着SiO2掺加量的增大,摩擦系数呈先增大后减小的趋势,掺加量为1.0 g/L(100 ml/L)时摩擦系数最大,分别为0.643和0.659。掺加纳米SiO2减小了 PCC膜的磨痕宽度,磨痕宽度随纳米SiO2掺加量的增大呈先减小后增大的趋势,浓度为1.0 g/L(100 ml/L)时,磨痕宽度最小,分别为890 μm和900 μm。电化学分析表明1 g/L纳米SiO2粉末和100mL/L纳米SiO2悬浮液掺加量下,PCC膜的耐蚀性最好。通过短时间转化成膜分析可以得出35CrMnSi钢表面的PCC膜是由与基体紧密相连的非晶网络结构层和外部的晶体层组成。晶体层的物相组成为Zn3(PO4)2·4H2O 和少量的 Zn2Fe(PO4)2·4H20,非晶网络结构层由 Fe2O3 和 FePO4组成。PCC膜的形成过程可分为基体的腐蚀溶解、非晶相沉积、磷酸盐的结晶和长大以及转化膜形成和溶解的动态平衡阶段。纳米SiO2通过在转化液中的悬浮和在基体表面的吸附作用,促进磷酸盐晶体形成的同时,也被不断结晶、沉积的磷酸盐覆盖和包裹,参与转化成膜,最终形成纳米SiO2增强的PCC-SiO2复合转化膜。掺加悬浮液的方式引入纳米SiO2,不仅能够使得更多的纳米SiO2颗粒引入到转化膜中,而且不影响磷酸盐晶体本身的形貌结构。