莫繼華 ，上官琪 ，肖 罡 ，陸宇衡 ，黃彩敏 ，曾建民

（1．廣西大學(xué)廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530004；2.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧530004）

熱浸鍍鋁是在熱浸鍍鋅技術(shù)之上發(fā)展起來(lái)的一種高效的防護(hù)鍍層，熱浸鍍鋁鋼材具有比熱鍍鋅鋼材更優(yōu)越的耐腐蝕及機(jī)械性能[1，2]。鋼材的熱浸鍍鋁是將經(jīng)處理后的鋼鐵材料或制品浸入一定溫度熔融鋁或鋁合金熔液中，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在鋼鐵表面形成Fe-Al金屬件化合物中間層，從而得到具有表面防護(hù)和表面強(qiáng)化相結(jié)合的高性能鍍層[3-5]。因此，熱浸鍍鋁鋼被稱(chēng)為制造成本低且性能優(yōu)越的新型復(fù)合材料[6]。

至今為止，熱浸鍍鋁的工藝方法類(lèi)型多種多樣，例如：森吉米爾法、無(wú)氧化還原法、無(wú)氧化法及溶劑法等。相比之下，熔劑法熱浸鍍鋁技術(shù)對(duì)設(shè)備等各方面的要求不高，工藝條件容易達(dá)到，生產(chǎn)靈活，產(chǎn)量可控，且適合多品種、多規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)，具有較廣闊的發(fā)展前景[7]。

鋼鐵材料的熱浸鍍鋁過(guò)程中，鍍鋁層厚度對(duì)鍍件性能起至關(guān)重要的作用，是決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)[8]。而熱浸鍍鋁層的厚度與提拉速度、凝固時(shí)間有著必然的聯(lián)系[9]。因此，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，研究熱浸鍍鋁鍍層與提拉工藝及鍍層凝固過(guò)程之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱浸鍍鋁過(guò)程的控制，提高鍍層質(zhì)量是必要的。本文擬結(jié)合提拉過(guò)程的速度方程與鍍層凝固傳熱方程，探討平面試樣鍍鋁表面層厚度隨提升速度的變化及凝固過(guò)程中的溫度變化的規(guī)律，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)模型加以驗(yàn)證。

1 提拉過(guò)程數(shù)學(xué)描述

提拉過(guò)程模型示意圖如圖1所示。

圖1 鍍件提拉過(guò)程示意圖

設(shè)提拉過(guò)程為穩(wěn)定過(guò)程，鍍液為不可壓縮性流體，由Navier-Stokes方程可知[10]：

式中，μ 為鍍液粘度（Pa·s）；ρ為鍍液密度（kg/m3）；P 為壓力（Pa）；t為時(shí)間（s）；u 為提拉速度（m/s）；Fx為單位質(zhì)量鍍液質(zhì)量力在x方向的分量（N）；Fy為單位質(zhì)量鍍液質(zhì)量力在y方向的分量（N）；Fz為單位質(zhì)量鍍液質(zhì)量力在z方向的分量（N）.

假定流體為不可壓縮的連續(xù)性穩(wěn)定流體，平板為無(wú)窮大，則：

故根據(jù)式（1）可得，

將式（2）求積分得到

當(dāng) x＝ δ時(shí)，u＝ u0，則

式中，δ為鍍層厚度（m）；u0為提拉速度（m/s）；g為重力加速度（N/kg）。

2 鍍層的凝固傳熱

由于液膜厚度很小，可以考慮其在鍍件平板表面為平行流動(dòng)，則可通過(guò)x方向來(lái)進(jìn)行分析，模型示意見(jiàn)圖2和圖3.

圖2 鍍層-基體示意圖

圖3 基體-鍍層溫度分布

鍍件在提出鍍液后，鍍液在鋼基體表面能較快的凝固成膜，該傳熱可被視為一般性換熱。根據(jù)牛頓冷卻定律，鍍層凝固界面-空氣的熱流密度為：

式中，Ts為界面溫度（℃）；T0為環(huán)境溫度（℃）；h為換熱系數(shù)（W/m2·℃）。

根據(jù)傅立葉定律[11]，鍍層凝固界面-鋼基體的熱流密度為：

式中，Tm為鍍層溫度（℃）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·℃）；

由于鍍層較薄、凝固速度較快，所以鍍層熱量的傳導(dǎo)可看作鋼基體釋放的潛熱，可知q1=q2=q3.

根據(jù)式（6）和式（7）可得：

整理得：

鍍層在凝固過(guò)程中的結(jié)晶潛熱q4為

式中，H為凝固潛熱（J/kg）

鍍層在凝固過(guò)程中的結(jié)晶潛熱q4等于熱流密度q3，于是得：

將式（11）積分并忽略δ的二次方項(xiàng)，

則有：

式（12）表示出了鍍層厚度與凝固時(shí)間的線性關(guān)系。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

熱浸鍍純鋁驗(yàn)證試驗(yàn)使用的是3 mm厚的Q235鋼板，該型號(hào)鋼板的化學(xué)成分如表1所示。為了方便浸鍍，將鋼板切割成尺寸為3 mm×30 mm×70 mm的小試樣，試樣上部開(kāi)φ10 mm圓孔。鍍液原料使用工業(yè)用純鋁錠。

表1 Q235鋼的化學(xué)成分表

試驗(yàn)使用LEICA金相顯微鏡測(cè)量鍍層厚度，使用紅外線測(cè)溫儀記錄鍍層在凝固過(guò)程中的溫度變化，鍍層凝固過(guò)程溫度變化測(cè)試系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 鍍層凝固過(guò)程溫度變化示意圖

（1）試驗(yàn)準(zhǔn)備：將鋁錠放入干鍋中，將爐溫設(shè)定至800℃，帶鋁錠完全溶化后，將鋁液溫度保持在730℃.

（2）熔體處理：稱(chēng)量熔體總重量的1%的熔體處理劑（六氯乙烷），用鋁箔包好用鐘罩將其壓入鋁液中進(jìn)行熔體處理，熔體處理溫度為730℃處理時(shí)間為10 min.

（3）試樣前處理：試樣前處理包括堿洗除油和酸洗除銹等工序。堿洗液為10%～15%NaOH和1%～3%Na2CO3水溶液，堿洗溫度為50～80℃，時(shí)間約為10 min.酸洗液為31%工業(yè)濃鹽酸，酸洗溫度為20℃，酸洗時(shí)間為2 min～5 min.

（4）助鍍處理：試驗(yàn)使用的助鍍劑為 B（OH）3+NaCl水溶液，助鍍溫度為70～80℃，助鍍時(shí)間為2 min，助鍍劑烘干溫度為300℃，試驗(yàn)使用的助鍍裝置見(jiàn)圖5所示。

圖5 助鍍裝置示意圖

（5）浸鍍處理：浸鍍溫度為690℃，浸鍍時(shí)間為3 min，上提牽引速度分別為0.02 m/s、0.05 m/s、0.09 m/s、0.12 m/s和0.15 m/s，試驗(yàn)使用的浸鍍裝置見(jiàn)圖6所示，該裝置使用帶有無(wú)級(jí)調(diào)速功能的電動(dòng)機(jī)。

圖6 浸鍍裝置示意圖

（6）后處理：試驗(yàn)的后處理使用空氣冷卻試片。

圖7是提拉速度為0.05 m/s獲得的試樣照片。

圖7 熱浸鍍鋁試樣照片

試樣提出鋁液后，使用紅外線測(cè)溫裝置記錄的鍍層溫度變化情況如圖8所示。

圖8 鍍層冷卻過(guò)程溫度變化曲線

如圖8所示，鍍件從鍍液中提出到冷卻至室溫的過(guò)程中，在提拉出鍍液的較短時(shí)間內(nèi)，鍍件溫度驟降，其中實(shí)測(cè)曲線在654℃附近有一小段溫度幾乎不變化的近水平曲線，說(shuō)明該段為鍍層的凝固過(guò)程。

圖9為提拉速度為0.05 m/s所獲得的試樣金相顯微照片。

圖9 熱浸鍍鋁鍍層照片（OM）

通過(guò)金相顯微分析，對(duì)試樣鍍層厚度進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖10所示。圖中顯示，當(dāng)提拉速度小于0.12 m/s時(shí)，實(shí)測(cè)鍍層厚度隨著提拉速度的增加而變厚，模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致。值得注意的是當(dāng)提拉速度大于0.12 m/s時(shí)，鍍層厚度將不會(huì)像公式（5）的結(jié)果一樣隨著提拉速度加快而快速增加，而是趨于平穩(wěn)。圖10表明，在一定范圍內(nèi)，鍍層厚度可以通過(guò)提拉速度來(lái)進(jìn)行控制。

圖10 鍍層厚度與提拉速度之間的關(guān)系

受提拉速度影響的鍍層厚度，必然影響鍍層的凝固時(shí)間，于是隨提拉速度增快（小于0.12 m/s），鍍層凝固時(shí)間增長(zhǎng)。圖11表明當(dāng)鍍層厚度小于100 m時(shí)，鍍層凝固時(shí)間與鍍層厚度之間基本成正比關(guān)系。

以提拉速度 u=0.05 m/s為例，μ =1.196 Pa·s，g=9.8 m/s2，ρ=2 700 kg/m3，H=397 400 J/kg，Tm=660℃，T0=20℃，將其代入式（5）中可得：

將δ代入式（17）中，可得鍍層凝固時(shí)間為：

從計(jì)算結(jié)果可以看出，該結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值基本吻合。

圖11 鍍層厚度與凝固時(shí)間之間的關(guān)系

4 結(jié)論

建立了數(shù)學(xué)模型描述了鍍層厚度與提拉速度及鍍層凝固時(shí)間的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論如下：

（1）對(duì)于Q235鋼板，提拉速度低于0.12 m/s時(shí)，鍍鋁層厚度與提拉速度的平方根成正比關(guān)系；提拉速度高于0.12 m/s時(shí)，鍍鋁層厚度趨于穩(wěn)定。鍍鋁層厚度與提拉速度的關(guān)系如下式所示：

（2）鋼板鍍鋁層厚度與凝固時(shí)間的關(guān)系如下式所示：

（3）驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬計(jì)算厚度值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，即該數(shù)學(xué)模型符合實(shí)際情況。