热浸镀铝 +微弧氧化技术研究发展与现状

郑才涛

中国国际电视总公司，北京

摘要: 热浸镀铝是在钢铁表面制备铝涂层应用最广泛的技术之一，具有良好的防腐蚀、耐磨性能、强度韧性以及光的反射功能，是有着综合性能的金属复合材料。微弧氧化技术是建立在阳极氧化基础上的一项新兴的材料表面陶瓷化技术，生成的陶瓷膜具有优异的耐蚀、耐磨、耐热及电绝缘性能。开展钢铁热浸镀铝微弧氧化复合热障涂层性能研究，对军事及民用材料各项性能指标提升及扩大应用范围具有重大的现实意义。

关键词: 热浸镀铝; 微弧氧化; 研究发展；现状

1 研究背景及意义

现代工业中，因钢铁具有强度较高、韧性较好、加工方便、成本低等特点被大量应用，但钢铁也存在易腐蚀、易磨损等问题。因此，要增加钢的防腐性能，必须对其表面进行耐腐蚀处理。

热浸镀铝技术就是将表面处理的钢放入融化的铝液中完全覆盖，进而在钢表面生成铝层的方法，具有较好的防腐性、抗高温性、抗硫化物气体腐蚀以及较高的机械强度。

微弧氧化技术是基于阳极氧化基础的材料表面陶瓷化技术，是将铝、镁等金属元素置于电解液中，通电以后会在表面产生非常薄的一层陶瓷膜。这是由于在电压大小超出临界值之后，就会将绝缘膜上很多脆弱的地方击穿，出现微弧放电后会迅速的生成一层陶瓷膜。此薄膜有着良好的防腐蚀性能、耐磨性能以及耐热性等性能。

若将热浸镀铝技术与微弧氧化技术以适当的顺序和方法相结合制备复合涂层，充分发挥 2 种技术的优点，在钢铁外表面制备出复合涂层，可显著改善钢基体的耐高温、耐腐蚀及隔热等性能。

2热浸镀铝技术的国内外研究现状

1950年以后，我国的车辆制造技术工业在不断的发展，镀铝钢板主要应用于车辆的排气系统。当时，美国、日本都开始建立了镀铝的企业生产线，并逐步开始生产。1970年之后，在世界其它新兴地区和发达国家，生产钢热镀铝的工艺技术发展非常迅速。当前，在硫高温气体以及含氯的气体当中，镀铝的钢材正在大量广泛的使用，热浸镀铝的材料在发达国家进行全面生产。主要体现在：(1)各大公司使用了自动化、智能化的生产工艺的设备；(2)各大工厂均采用全新的装置，可以提升产能以及产品的生产技艺。(3)开始研究全新的镀层，进而提升镀层的抗高温性能以及强度。

在我国，热浸镀铝钢材兴起相对晚。60年代起，我国开始与日本对该技术进行研究合作，在中国天津建立了一条镀铝生产线。1970年，在天津成立第四金属制品厂，使用自主研制的助镀剂方式进行钢丝镀铝。另外，上钢二厂、武汉钢丝绳厂以及湘潭钢丝厂等分别采用溶剂法热浸镀铝试验、钢丝溶剂法镀铝以及铅浴预热法进行研究。80年代末期，非连续镀铝取得快速发展，研究方向大多采用熔剂法热浸镀铝技术工艺。在近些年来，我国的高速公路及汽车行业对于镀铝钢材料的应用需求逐步增加，国内涌现出十多家镀铝生产企业，实现规模生产。

采用溶剂法研究的工艺流程为:

钢试样打磨—碱洗脱脂—水洗—酸洗除锈—水洗—水溶液助镀剂处理—干燥—热浸镀铝—后处理—水洗—干燥。

性能研究主要表现在以下方面：

1）热浸镀铝涂层的微观组织结构

镀铝层一般具有表面层以及合金层的结构，表面层普遍由铝和铝的化合物组成，合金层主要由铝的化合物组成。

2）力学性能

镀铝的钢材大多数是低碳钢，进行热处理后，行为不是很明显，但是基体在镀铝的前后基本不变。

3）抗氧化性能

热浸镀铝镀层的厚度以及含铝量的高低对抗氧化性能起到决定性作用。

4）耐蚀性

碳钢热浸镀铝后，表面形成一层Al2O3膜，该膜致密连续且无孔隙，腐蚀介质可有效被阻止侵入，使其抗腐蚀的能力得到明显提升。

5）对光和热的反射性

镀铝材料表面形成的致密光泽Al2O3膜与镀铝材料对光和热的反射能力有非常大的关联，在500℃以下使用时，不锈钢表面温度比镀铝钢高近50℃，这是因镀铝钢板具有很高的反射率高。

3 微弧氧化技术的国内外研究现状

大约1970年，伊利诺大学（美国）等单位开始研究Al、Ti等金属表面火花放电沉积层，采用直流或单向脉冲电源。1977年，俄罗斯科学院无机化学研究所独立完成微弧氧化技术的研究，他们采用交流电压模式进行金属表面火花放电沉积层研究，这种技术后来被称之为“微弧氧化”。鉴于其最主要的表面特点是微弧（微等离子体）现象和陶瓷氧化层的生成，对不同工作电压及不同电源模式的氧化，现在都趋向于称作微弧氧化（Micro-arc Oxidation）或微等离子体氧化（Micro-Plasma Oxidation）。80年代中后期，微弧氧化技术产品开始在工厂进行大量生产。1990年开始，美、俄等国家的微弧氧化或火花放电阳极氧化技术进展非常迅速。

当前，世界各国同时并存多种电源模式，且每个研究单位各有特点，但总体来看，国内的研究水平显然低于国外，国外在微弧氧化的机理、彩色氧化层及微弧氧化层的结构、过程、参数控制、性能以及应用等诸多方面都进行过大量研究工作。

我国自1980年起逐步研究此项技术，在引进俄罗斯技术后，慢慢走向实际应用的阶段。当前，我国的微弧氧化技术经过数年的发展，已经取得重大突破，从最开始的铝合金，再到镁合金、钛合金及锆合金，从初期的摩擦磨损的运用已延伸到不同功能的微弧氧化层。同时，我们也对影响微弧氧化工艺的因素展开研究，对于微弧氧化机理进行初期探究。

微弧氧化工艺参数为: 初始电压 200 V，电流密度 15 ～ 40 A/dm，脉冲频率 200 Hz，占空比 20% ，处理时间 30 ～ 45 min。

4 微弧氧化技术研究与应用中存在的问题及发展趋势

微弧氧化作为一种新兴技术，虽然已经取得较大进步，但是把其应用于大规模的工业生产还远远不够，以下几个方面有待继续研究：

1）我们对于微弧氧化的机理的研究仍只停留在表面，理论模型的构建不够深入。因为微弧氧化是在液体里面的高压电的放电过程，所以对其进行精准观察以及测量的难度系数很高，对其机理的认知也仅仅基于放电现象的衍生。机理认识的不完全，在很大的程度上面限制了微弧氧化技术进步，导致许多试验仅仅停留在表象，不能经过机理方向引导试验以及生产。

2）微弧氧化技术还有很多不确定因素，进而导致相关工程不能形成稳定的工艺路线。微弧氧化的放电过程涉及了诸多的工艺因素，例如：电解液种类和浓度，电解液温度，电源模式等，我们还需要考虑其他的金属基体材料中的成分带来的影响，进而使得微弧氧化工艺非常不稳定。

3) 研制新设备、开发新技术。效率低、能耗大、成本高限制了微弧氧化技术在许多工业领域的应用进展，研制满足不同类型企业批量生产要求的自动化微弧氧化设备，开发更多的复合技术来达到工业发展要求，是该技术今后应用研究的一个重要方向。

4) 提高陶瓷膜及基体性能。如何通过调整工艺，控制浸镀铝微弧氧化陶瓷膜的组成，制备性能优异的陶瓷膜，且能提高工艺的可重复性，是该技术发展的目标和方向。

随着理论研究的深入，微弧氧化技术将会开发出更具有普遍性、适用性的电解液配方及工艺参数为选择; 研制自动化生产线，满足不同形状钢铁或合金制件表面处理，并可对指定的表面作局部微弧氧化处理。将微弧氧化技术与其他制膜技术相结合制造性能优良的复合膜层，可进一步提高陶瓷膜层的耐磨、耐蚀性能，还能赋予该膜层其他特殊性能，拓展热浸镀及微弧氧化技术的应用前景。

参考文献

1. 李国喜.钢铁热浸镀工艺的研究与应用[J].材料保护,1993(9):11.

2. 张翠兰.我国熔剂法热浸镀铝工艺发展概况[J].金属热处理,1995(1):3-5.

3. 刘雪民,易大伟,刘炳等.热浸镀铝技术的研究应用与发展[J],2008,材料保护,41(4):47-50.