表面处理对热轧酸洗搪瓷用钢搪瓷性能的影响.pdf

2023年第2 期试验研究梅山科技35.表面处理对热轧酸洗瓷用钢塘瓷性能的影响刘欣裴新华（宝钢股份研究院梅钢技术中心南京2 10 0 3 9）瓷材料是由两种化学和物理性质截然不同的材料，即金属和玻璃质无机材料经高温烧制复合而成。塘瓷用钢涂塘后具有外观美观，表面光洁细腻，色彩丰富，耐腐蚀、易洗涤等优点,现在已经被广泛地应用于日常厨房用品、家电产品、建筑装饰塘瓷面板和一些大型管道等重要场合。塘瓷用钢在塘瓷前需要进行表面处理，去除表面的油污等，以获得洁净的表面。金属与瓷釉的结合是一个极其复杂的物理和化学过程，塘瓷用钢洁净的表面有助于在后期涂塘过程中获得高质量的塘瓷层。塘瓷用钢的表面处理主流方式主要有两种：一种是碱洗脱脂处理,步骤为碱洗一水洗一酸洗中和一水洗一吹干;另一种是直接喷砂处理。另外本文加入了等离子处理的表面处理方式。三种表面处理不仅对试样的表面相貌产生影响,对钢板的塘瓷性能等也产生部分影响。为了判断不同表面处理方式对热轧酸洗塘瓷用钢的塘瓷的影响，进行了以下研究。1试验材料及方法试验选用梅钢热轧酸洗塘瓷用钢BTC330R,试样成分见表1。表1试样成分元素C含量0.06对塘瓷用钢BTC330R按其三种表面处理方式分别进行表面处理，即碱洗脱脂处理（碱洗一水洗一酸洗中和一水洗一吹干）、喷砂处理、等离子处理。利用Fe-HP-12型号的氢渗透仪测试各试样的储氢能力。试样处理尺寸为50 mm80mm,对表面处理后的试样用无水乙醇进行冲洗、吹干。将处理好的试样进行电解抛光、阴极化后单面电镀镍，最后进行氢渗透实验。氢渗透实验装置见图1，主要是采用电化学方法，按示意图接好电路，其中试样的镀镍面面向扩氢电解池，未镀镍面（裸钢）面向充氢电解池,扩氢电解池中加入0.1mol/L的氢氧化钠溶液作为扩氢溶液，充氢电解池中加入0.1mol/L的氢氧化钠溶液和4mL的饱和硫化氢溶液的混合溶液作为充氢溶液。氢渗透实验主要是恒电流源在充氢电解池中施加一定的恒电流，试样作为阴极，在阴极处,H+被还原成H,然后H穿透试样,到达扩氢电解池。恒电位仪在扩氢电解池中施加了恒电压,试样作为阳极,在试样处,穿透过来的H被氧化成H*，导致扩氢电解池的电流发生变化，扩氢电解池的恒电位仪与计算机相连，记录下电流的变化情况,即I-t曲线，一段时间后电流达到稳态,此时实验结束。利用计算机记录的I-t数据计算氢扩散时间。因为氢渗透通量:J=I/F,其中F为法拉第常数，为9 6 50 0 As/mol。稳态氢渗透通量：J=/F;归一化氢渗透通量为J/Jo=0.096时,对应时间为试样钢板的氢穿透渗透时间tp（m in），该结果除以相对厚度d（m m）的平方换算得1mm钢板的氢穿透时间，即 TH=t,/d,TH单位为min/mm。T H 值的大小代表了钢板储氢能力的大小，TH数值越大，wt%钢板的储氢能力越强,试样越不容易发生鳞爆。SiMn0.050.60P0.01Ti0.04恒电流源铂电充氢电解池图1氢渗透实验示意图恒电位仪十1试祥饱和铂电极甘汞镀镍面电极扩氢电解池计算机36在实验室对不同方式表面处理后的试样进行湿法涂塘，然后依次进行烘干、塘烧，并将塘烧好的试样空冷。塘烧后的试样放置10 天后，对塘瓷层进行鳞爆观察，并按照BSEN10209：1996标准进行密着性评级。2试验结果2.1试样金相组织利用AxioLmager.Azm金相显微镜对试样组织进行观察，从图2 中可以看出，主要组织为铁素体和少量渗碳体，晶粒组织细小、均匀,与设计组织一致。图3 为热轧态钢析出物及能谱分析,从能谱中可以看出,析出物的主要成分为Ti和N,并带有微量的C和Fe。C 和Fe是由于析出相颗粒较小,能谱中出现C和Fe特征(a)梅山科技峰,可以判断二相粒子为Ti氮化物。Ti元素的添加在钢板中形成了Ti的析出相，提高了钢板中氢的不可逆陷阱，从而提高了钢板的储氢能力。图2 BTC330R金相组织元素重量%原子%CK0.16NK26.55TiK68.03 41.49FeK5.26总量100.00100.002023年第2 期20um0.3855.382.755um图3 析出物及能谱2.2育前处理对表面形貌的影响利用ContourGTK表面形貌仪对三种不同前处理方式的试样表面形貌进行了轮廓分析,从图4中可以看出，经过表面处理后，试样的表面形貌发生了较大改变，碱洗脱脂处理表面较平整,喷砂处理和等离子处理的试样表面产生了较多的凹坑。测试试样的表面粗糙度，碱洗脱脂板的Ra为1.52 5m,喷砂处理后Ra值增大到2.903m,等离子处理后则增加到4.2 2 1m。1)碱洗脱脂主要是利用碱液与试样表面的油脂发生化学反应,去除表面油脂,最大程度地保存了试样的表面形貌，其表面形貌即为热轧板酸洗后的形貌，试样的粗糙度Ra为1.525 m。2)喷砂处理是以压缩空气为动力，将金刚砂等高硬度喷料高速喷射到试样表面，去除表面的锈蚀、油脂等,从而获得具有一定清洁度的表0面。但是由于喷料的硬度较高,获得洁净表面的同时，试样的表面形貌发生了较大变化，其表面粗糙度与喷料的粒度密切相关。本实验采用了粒度50 目,粗糙度变大,Ra值为2.9 0 3 m。3)等离子表面处理是将离子、电子和中性离子组成的等离子体与试样表面撞击，在这一过程中等离子体将自身的能量传递给试样表面的原子和分子，由此产生一系列的物理和化学过程，从而达到试样表面改性，清除表面原有的污染物和杂质，获得洁净的表面，同时会对试样表面产生刻蚀作用，试样的表面粗糙度Ra达到了 4.2 2 1 m。从三种前处理方式的表面形貌可以看出，第一种碱洗脱脂前处理得到的表面形貌最接近热轧酸洗板的原始形貌。喷砂处理和等离子处理都改变了热轧酸洗板表面的形貌,其表面形貌与热轧酸洗板的原始形貌基本无相关性。2468刘欣等表面处理对热轧酸洗塘瓷用钢塘瓷性能的影响37.1.91.51.00.502.3储氢性能对三组试样进行了氢渗透实验，计算机记录了原始的I-t图,按前文所述方法对数据进行归一化处理，电流转化为J/Jt 关系图（见图5）。计算出试样的TH,碱洗脱脂板的TH值为6.6 4min/mm,喷砂处理后的试样TH值为6.2 0 min/mm,等离子处理后的试样TH值为5.16 min/mm。采用不同的表面处理方式,试样的TH值不同，即钢板的储氢能力不同。1.00.80.60.40.20图5不同表面处理的归一化通量一时间曲线2.4涂糖性能实验采用福禄的塘瓷粉进行实验室的湿法1.995-5-90.51.0mm(a）碱洗脱脂处理表面形貌1.91.51.00.50图4不同前处理试样的表面形貌涂塘，2 0 0 烘干10 min，塘烧采用8 50 塘烧10min,然后空冷至室温。塘烧后的试样放置10天，无鳞爆发生。对塘瓷层进行密着性评级（见图6），根据BSEN10209:1996标准，密着性均为最高级1级。三种前处理方式主要是造成表面形貌的差异。虽然试样的储氢能力有差异，但是较大的粗糙度有利于塘瓷层与基体的结合，使得塘瓷层与基体的结合更加紧密,不仅有助于提高试样的密着性,鳞爆也不易发生。喷砂和等离子处理提高了试样表面粗糙度，所以三种前处理方式对BTC330R的湿法涂塘的塘瓷层质量没有明显差异。碱洗脱脂喷砂等离子1020时间/min21.501.0-20-400.5-60731.52.0302.50.5(c）等离子处理表面形貌50J4001.01.5mm0.5(b）喷砂处理表面形貌35200-20406080912.02.5碱洗脱脂图6 塘瓷层密着性测试1.0mm喷砂1.52.0等离子2.5383结果讨论1)等离子喷涂技术是采用刚性非转移等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等粉末材料加热到熔融或半熔融状态，并高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子喷涂原理见图7，等离子喷涂可以改变金属表面状态，使金属基保留金属的韧性和强度，表面具有高硬度的特点。本研究采用大气等离子喷涂，意在探讨此技术对后期的塘瓷层质量是否有影响，是否具有可行性。等离子气体+电流阴极水冷阳极绝缘体粉末口图7 等离子喷涂原理2)喷砂处理是通过压缩空气作动力，形成高速喷射束将喷料（石英石、金刚砂、铁砂等）高速喷射到需处理的工件表面，使表面发生变化，可以获得具有一定清洁度和不同粗糙度的表面。3)碱洗脱脂是用碱液清洗,用碱液和基板表面的油污发生化学反应，去除表面的油污。对于塘瓷行业来说，碱洗后需要进行清水漂洗，然后用弱酸进行中和,再次漂洗，以达到既去除表面油污，又保证表面不会有碱液残留，影响下一步涂塘。三种前处理方式的原理不同，获得的表面梅山科技形貌亦不相同。等离子处理和喷砂处理具有表面改性的作用,导致表面的粗糙度变大,其三维形貌主要与等离子处理工艺和喷砂工艺有关，而碱洗脱脂的表面粗糙度最小，保留了酸洗板的原始形貌。三种不同的前处理方式对钢板本身的储氢能力也有所影响，通过氢渗透实验可以看出,碱洗脱脂板的TH值为6.6 4min/mm，.2喷砂处理后的试样TH值为6.2 0 min/mm,等离子喷涂处理后的试样TH 值为5.16 min/mm，但是涂塘塘烧后试样塘瓷层均满足要求，未发生鳞爆和密着性不良。这是因为喷砂处理和等离子处理造成了试样表面改性，喷砂处理中喷料对试样表面的高速撞击，对表面施加了压应涂层一力,造成试样表面的改性。等离子处理在试样表面发生复杂的物理和化学反应,试样表面也同样产生了改性，导致试样储氢能力降低，但是提高了试样表面粗糙度。大的粗糙度有利于塘工件瓷层与基体的结合，使得塘瓷层与基体的结合更加紧密,不仅有助于提高试样的密着性,鳞爆也不易发生。4 结 论1)热轧酸洗塘瓷钢的三种前处理方式，即碱洗脱脂、喷砂处理、等离子处理获得了不同的试样表面形貌，喷砂处理和等离子处理提高了试样表面粗糙度。2)在储氢能力方面,喷砂处理和等离子处理试样的储氢能力低于碱洗脱脂处理试样的储氢能力。3)对具有良好储氢能力的钢板，三种前处理方式对涂塘性能无差异，均满足塘瓷工艺要求。2023年第2 期