摘 要 微晶玻璃/金屬復(fù)合新型裝飾材料是一種具有綠色環(huán)保、質(zhì)輕、方便安裝、裝飾性強(qiáng)等多種優(yōu)良性能的復(fù)合材料。在微晶玻璃與金屬基體復(fù)合過程中，金屬基體的表面處理及預(yù)氧化處理對兩者結(jié)合質(zhì)量有較大的影響。本文借助SEM及電子探針等測試手段從微觀角度對金屬基體進(jìn)行了研究，并初步探討了金屬基體的氧化機(jī)理。

關(guān)鍵詞 微晶玻璃/金屬復(fù)合材料，界面結(jié)合，預(yù)氧化處理

1引言

微晶玻璃/金屬復(fù)合裝飾材料是一種既具有微晶玻璃的優(yōu)勢，又具有金屬易加工、韌性好等優(yōu)良性能的復(fù)合材料，有廣闊的發(fā)展前景^[1]。微晶玻璃與金屬復(fù)合的工藝參數(shù)包括熱處理溫度和時間、金屬表面氧化程度、保護(hù)氣氛的控制等，這些因素決定了微晶玻璃與金屬的結(jié)合強(qiáng)度、耐沖擊等性能。微晶玻璃與金屬的復(fù)合，主要是利用金屬的氧化物和微晶玻璃復(fù)合，金屬預(yù)處理溫度、預(yù)處理時間對金屬基體表面氧化程度影響很大^{[2，3，4]}，所以直接影響著微晶玻璃與金屬復(fù)合的效果。為了獲得性能良好的微晶玻璃/金屬復(fù)合材料，金屬預(yù)處理工藝及工藝參數(shù)^[5，6，7]的優(yōu)化非常重要。

2實驗

2.1 實驗原料

本實驗選用的金屬是普通低碳鋼Q235，其化學(xué)成分如表1所示。依據(jù)兩種不同性質(zhì)的材料復(fù)合的條件，通過多次研究和實驗，設(shè)計出微晶玻璃的組成范圍，見表2。

2.2 微晶玻璃/金屬復(fù)合材料制備

選用化學(xué)純的原料按表2組成配料，混合均勻后置于普通坩鍋中，在硅鉬爐中升溫至1250～1350℃，保溫1～2h，水淬；將烘干后的玻璃放在瑪瑙碾缽中研磨，過250目篩，用有機(jī)溶劑使之懸浮，制成含30%～70%玻璃的漿料。用搪瓷涂覆法，把制好的玻璃漿料涂覆在經(jīng)過預(yù)處理的金屬基體上，然后放入烘箱中，在200℃左右烘干，再放入600℃馬弗爐中，快速升溫至800℃，保溫10min后隨爐冷卻。

2.3 性能測試

2.3.1 SEM分析

用日本SX-40型掃描電鏡觀察金屬基體表面特征和微晶玻璃/金屬的界面結(jié)合狀態(tài)。

2.3.2 電子探針元素分析

用電子探針測定界面元素分布。

3結(jié)果與討論

微晶玻璃和金屬是兩種性質(zhì)截然不同的材料，要將兩者緊密地結(jié)合在一起，可從兩方面加以改善：一方面是對金屬基體表面清洗、砂磨以除去表面異質(zhì)鱗皮，使表面粗糙化，從而增加與玻璃的接觸面積；另一方面是對金屬進(jìn)行適當(dāng)預(yù)氧化處理，在基體表面生成一層氧化膜，形成的氧化膜可促進(jìn)微晶玻璃對金屬基體的潤濕，有利于微晶玻璃與基體金屬間的化學(xué)粘附。

3.1 不同表面處理對復(fù)合材料的影響

金屬在外界環(huán)境下長時間放置，表面會覆蓋氧化皮、繡斑和油污等污漬，不易為表面涂層所潤濕，從而降低表面涂層與基體的結(jié)合性。所以涂覆前金屬基體表面處理對復(fù)合材料質(zhì)量有很大的影響。

3.1.1 不同表面處理后金屬的表面形貌

圖1(a)、1(b)、1(c)分別為不經(jīng)任何處理、有機(jī)溶劑清洗及酸洗、有機(jī)溶劑清洗及砂磨處理后金屬基體表面的掃描照片。

由圖1可見，不經(jīng)處理的表面較平滑、無蝕坑，有氧化皮、油漬等雜質(zhì)；酸洗后除去了表面氧化皮、油漬污垢，表面有酸腐蝕的痕跡和細(xì)小的腐蝕產(chǎn)物，表面變得粗糙；噴砂表面無腐蝕產(chǎn)物，由于砂粒的摩擦作用，使表面產(chǎn)生了塑性變形和砂粒摩擦金屬表面的痕跡、存在大量溝槽，溝槽邊緣棱角分明。酸洗后表面形貌為蝕坑形貌；砂磨后形貌為溝槽形貌，后者利于涂層與金屬基體的結(jié)合。

3.1.2 不同表面處理后的涂層質(zhì)量

圖2 為三種狀態(tài)下涂層與基體界面結(jié)合形貌圖。由圖可見：不經(jīng)任何處理，基體表面與涂層結(jié)合較差，有明顯的分界層；經(jīng)有機(jī)溶劑及酸洗后，涂層中存在大量的氣泡，有的在金屬與涂層界面，有的在涂層中間，嚴(yán)重影響了微晶玻璃/金屬的界面結(jié)合；砂磨處理后的涂層較酸洗后的涂層致密、均勻，界面結(jié)合良好，涂層進(jìn)入到原砂磨處理在表面形成的溝槽中形成機(jī)械鎖定，增強(qiáng)了涂層與基體金屬的結(jié)合，界面無裂紋。

3.2 金屬預(yù)氧化處理對復(fù)合材料的影響

3.2.1 金屬熱處理溫度的影響

金屬預(yù)處理溫度是微晶玻璃與金屬兩種材料復(fù)合的一個重要工藝參數(shù)。本實驗先對基體金屬進(jìn)行清洗、砂磨等物理處理后，在不同溫度下對金屬進(jìn)行預(yù)處理。不同溫度處理后金屬表面狀態(tài)如表3所示。

由表3可見：適宜的預(yù)熱處理溫度范圍為400～600℃；超過600℃，金屬過度氧化起皮，金屬性能已經(jīng)發(fā)生改變，不利于兩種材料的復(fù)合。不同溫度預(yù)處理后金屬基體與微晶玻璃復(fù)合效果如表4所示；其耐熱沖擊測試如表5所示；界面結(jié)合情況如圖3所示。

結(jié)合表4和圖3可知：金屬基體在400℃氧化時，由于氧化溫度不夠，氧化產(chǎn)物以鐵的低價氧化物為主，所以表面呈藍(lán)綠色。鐵的低價氧化物鍵性與金屬接近，所以加熱時與金屬基體結(jié)合牢固，與微晶玻璃潤濕性差，因此稍加敲擊則涂層脫落。

在600℃氧化時，氧化膜以鐵的高價氧化物為主，所以表面呈棕色。高價氧化物的鍵性與微晶玻璃的鍵性相似，加熱時易與微晶玻璃層結(jié)合，而與金屬基體結(jié)合性差，敲擊后涂層也易脫落，但與400℃脫落層不同：600℃脫落的涂層附有黑色的氧化物，這是由于此時涂層的脫落界面是沿著金屬基體－氧化膜界面。

因此，要獲得結(jié)合良好的微晶玻璃/金屬復(fù)合材料，適當(dāng)?shù)慕饘倩w氧化程度很重要。這就要求氧化膜在接近金屬一側(cè)以鐵低的價氧化物為主，接近微晶玻璃的一側(cè)以鐵的高價氧化物為主，且呈連續(xù)變化。金屬基體在500℃氧化后，表面呈棕黃色，由SEM圖可以看出：氧化膜與微晶玻璃交叉嚙合，結(jié)合較好。因此確定最佳熱處理溫度為500℃。

3.2.2 金屬熱處理制度的影響

基體經(jīng)500℃預(yù)處理后，對微晶玻璃/金屬復(fù)合材料的界面進(jìn)行電子探針線掃描，結(jié)果如圖4所示。由圖可見：氧含量由表到里逐漸減?。昏F含量由表到里逐漸增加； Si、K、Al等元素主要分布在外涂層和過渡層中。金屬氧化膜的形成過程可用兩個擴(kuò)散過程來說明：氧化初期，在金屬表面上形成氧化物，金屬離子穿過金屬－氧化物界面向外擴(kuò)散；氧在涂層－空氣界面上吸附，氧離子穿過氧化物層向內(nèi)擴(kuò)散。所以氧含量由外向里逐漸減少，氧化膜過渡層成分連續(xù)改變，這兩個擴(kuò)散過程同時存在。由于氧離子半徑大于金屬離子的半徑，所以氧的擴(kuò)散速率較金屬離子遷移率小，因此氧化膜主要形成在金屬基體外表面。從這個角度而言，氧化膜的形成取決于氧的擴(kuò)散速率，而氧的擴(kuò)散速率又與溫度、時間有關(guān)。因此，確定適當(dāng)?shù)念A(yù)熱處理溫度、時間制度對微晶玻璃與金屬基體的結(jié)合至關(guān)重要。

4結(jié)論

(1) 金屬表面處理及預(yù)熱氧化處理對微晶玻璃/金屬復(fù)合材料的復(fù)合效果有較大影響，對金屬表面進(jìn)行清洗、預(yù)氧化處理有利于其界面結(jié)合。

(2) 較合適的基體表面處理及預(yù)熱處理工藝為：有機(jī)溶劑清洗→烘干→砂磨→預(yù)氧化處理。

(3) 金屬基體適宜的預(yù)處理溫度范圍為400～600℃； 經(jīng)500℃保溫20min預(yù)氧化處理、800℃燒成保溫10min，可使微晶玻璃與基體金屬結(jié)合牢固。

參考文獻(xiàn)

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