金属预处理对微晶玻璃／金属复合材料结构的影响

金属预处理对微晶玻璃／金属复合材料结构的影响摘要微晶玻璃/金属复合新型装饰材料是一种具有绿色环保、质轻、方便安装、装饰性强等多种优良性能的复合材料。在微晶玻璃与金属基体复合过程中，金属基体的表面处理及预氧化处理对两者结合质量有较大的影响。本文借助SEM及电子探针等测试手段从微观角度对金属基体进行了研究，并初步探讨了金属基体的氧化机理。关键词微晶玻璃/金属复合材料，界面结合，预氧化处理1引言微晶玻璃/金属复合装饰材料是一种既具有微晶玻璃的优势，又具有金属易加工、韧性好等优良性能的复合材料，有广阔的发展前景［1］。微晶玻璃与金属复合的工艺参数包括热处理温度和时间、金属表面氧化程度、保护气氛的控制等，这些因素决定了微晶玻璃与金属的结合强度、耐冲击等性能。微晶玻璃与金属的复合，主要是利用金属的氧化物和微晶玻璃复合，金属预处理温度、预处理时间对金属基体表面氧化程度影响很大［2,3,4，］所以直接影响着微晶玻璃与金属复合的效果。为了获得性能良好的微晶玻璃/金属复合材料，金属预处理工艺及工艺参数［5,6，7］的优化非常重要。2实验实验原料本实验选用的金属是普通低碳钢Q235，其化学成分如表1所示。依据两种不同性质的材料复合的条件，通过多次研究和实验，设计出微晶玻璃的组成范围，见表2。微晶玻璃/金属复合材料制备选用化学纯的原料按表2组成配料，混合均匀后置于普通坩锅中，在硅钼炉中升温至1250〜1350℃,保温1〜2h,水淬；将烘干后的玻璃放在玛瑙碾钵中研磨，过250目筛，用有机溶剂使之悬浮，制成含30%〜70%玻璃的浆料。用搪瓷涂覆法，把制好的玻璃浆料涂覆在经过预处理的金属基体上，然后放入烘箱中，在200℃左右烘干，再放入600℃马弗炉中，快速升温至800℃,保温10min后随炉冷却。.1SEM分析用日本SX-40型扫描电镜观察金属基体表面特征和微晶玻璃/金属的界面结合状态。.2电子探针元素分析用电子探针测定界面元素分布。3结果与讨论微晶玻璃和金属是两种性质截然不同的材料，要将两者紧密地结合在一起，可从两方面加以改善：一方面是对金属基体表面清洗、砂磨以除去表面异质鳞皮，使表面粗糙化，从而增加与玻璃的接触面积；另一方面是对金属进行适当预氧化处理，在基体表面生成一层氧化膜，形成的氧化膜可促进微晶玻璃对金属基体的润湿，有利于微晶玻璃与基体金属间的化学粘附。不同表面处理对复合材料的影响金属在外界环境下长时间放置，表面会覆盖氧化皮、绣斑和油污等污渍，不易为表面涂层所润湿，从而降低表面涂层与基体的结合性。所以涂覆前金属基体表面处理对复合材料质量有很大的影响。不同表面处理后金属的表面形貌图1(a)、1(b)、1(c)分别为不经任何处理、有机溶剂清洗及酸洗、有机溶剂清洗及砂磨处理后金属基体表面的扫描照片。由图1可见，不经处理的表面较平滑、无蚀坑，有氧化皮、油渍等杂质；酸洗后除去了表面氧化皮、油渍污垢，表面有酸腐蚀的痕迹和细小的腐蚀产物，表面变得粗糙；喷砂表面无腐蚀产物，由于砂粒的摩擦作用，使表面产生了塑性变形和砂粒摩擦金属表面的痕迹、存在大量沟槽，沟槽边缘棱角分明。酸洗后表面形貌为蚀坑形貌；砂磨后形貌为沟槽形貌，后者利于涂层与金属基体的结合。不同表面处理后的涂层质量图2为三种状态下涂层与基体界面结合形貌图。由图可见：不经任何处理，基体表面与涂层结合较差，有明显的分界层；经有机溶剂及酸洗后，涂层中存在大量的气泡，有的在金属与涂层界面，有的在涂层中间，严重影响了微晶玻璃/金属的界面结合；砂磨处理后的涂层较酸洗后的涂层致密、均匀，界面结合良好，涂层进入到原砂磨处理在表面形成的沟槽中形成机械锁定，增强了涂层与基体金属的结合，界面无裂纹。金属预氧化处理对复合材料的影响金属预处理温度是微晶玻璃与金属两种材料复合的一个重要工艺参数。本实验先对基体金属进行清洗、砂磨等物理处理后，在不同温度下对金属进行预处理。不同温度处理后金属表面状态如表3所示。由表3可见：适宜的预热处理温度范围为400〜600℃；超过600℃，金属过度氧化起皮，金属性能已经发生改变，不利于两种材料的复合。不同温度预处理后金属基体与微晶玻璃复合效果如表4所示；其耐热冲击测试如表5所示；界面结合情况如图3所示。结合表4和图3可知：金属基体在400℃氧化时，由于氧化温度不够，氧化产物以铁的低价氧化物为主，所以表面呈蓝绿色。铁的低价氧化物键性与金属接近，所以加热时与金属基体结合牢固，与微晶玻璃润湿性差，因此稍加敲击则涂层脱落。在600℃氧化时，氧化膜以铁的高价氧化物为主，所以表面呈棕色。高价氧化物的键性与微晶玻璃的键性相似，加热时易与微晶玻璃层结合，而与金属基体结合性差，敲击后涂层也易脱落，但与400℃脱落层不同：600℃脱落的涂层附有黑色的氧化物，这是由于此时涂层的脱落界面是沿着金属基体－氧化膜界面。因此，要获得结合良好的微晶玻璃/金属复合材料，适当的金属基体氧化程度很重要。这就要求氧化膜在接近金属一侧以铁低的价氧化物为主，接近微晶玻璃的一侧以铁的高价氧化物为主，且呈连续变化。金属基体在500℃氧化后，表面呈棕黄色，由SEM图可以看出：氧化膜与微晶玻璃交叉啮合，结合较好。因此确定最佳热处理温度为500℃。基体经500℃预处理后，对微晶玻璃/金属复合材料的界面进行电子探针线扫描，结果如图4所示。由图可见：氧含量由表到里逐渐减小；铁含量由表到里逐渐增加；Si、K、Al等元素主要分布在外涂层和过渡层中。金属氧化膜的形成过程可用两个扩散过程来说明：氧化初期，在金属表面上形成氧化物，金属离子穿过金属－氧化物界面向外扩散；氧在涂层－空气界面上吸附，氧离子穿过氧化物层向内扩散。所以氧含量由外向里逐渐减少，氧化膜过渡层成分连续改变，这两个扩散过程同时存在。由于氧离子半径大于金属离子的半径，所以氧的扩散速率较金属离子迁移率小，因此氧化膜主要形成在金属基体外表面。从这个角度而言，氧化膜的形成取决于氧的扩散速率，而氧的扩散速率又与温度、时间有关。因此，确定适当的预热处理温度、时间制度对微晶玻璃与金属基体的结合至关重要。4结论(1)金属表面处理及预热氧化处理对微晶玻璃/金属复合材料的复合效果有较大影响，对金属表面进行清洗、预氧化处理有利于其界面结合。(2)较合适的基体表面处理及预热处理工艺为：有机溶剂清洗-烘干-砂磨-预氧化处理。(3)金属基体适宜的预处理温度范围为400〜600℃;经5000c保温20min预氧化处理、8000c烧成保温10min，可使微晶玻璃与基体金属结合牢固。参考文献1程金树等.微晶玻璃/金属复合新型装饰材料[J].佛山陶瓷,2004,08,40〜41Kramer.DP，SalernoRFetc.EffectofseveralsurfacetreatmentsonthestrengthofaGlass-Ceramic-to-MetalSteal.DepartmentofEnergy,Washington,DC.10Feb.19829pDolandIW.Interfacialreactionsandtheirinfluenceonthelifetimebehaviorofglass-ceramic-to-metalsealsandcoatings[C].FirstInternationalConferenceonAgeingStudiesandLifetimeExtensionofMaterials;Oxford;UK;12〜14July1999.pp.653〜666,2001P.W.《微晶玻璃》[M],中国建材工业出版社，1988，85张本等.陶瓷/金属复合耐磨涂层的性能评价[J].武汉理工大学学报,2002,066马英仁.影响封接玻璃的因素[J].玻璃与搪瓷,1992,20(5),59〜63,687Loehman.Re“P