铝合金表面涂层制备及抗腐蚀性研究

论文总字数：31872字

摘 要

铸铝的密度小、强度高、导热、导电性能优良，近年来在冷凝式燃气热水器的换热器中的应用逐渐兴起。铸铝换热器能将高温烟气中的水蒸气汽化潜热释放出来，因此具有较高的热效率。但是在水蒸气冷凝时，烟气中的酸性气体会溶于其中，形成酸性冷凝液，腐蚀铸铝换热器，对其使用寿命及安全性都有影响，因此必须对其进行表面处理以提高其耐热、耐蚀性能，延长使用寿命。铸渗工艺是将传统铸造和材料表面复合强化技术相结合的一种表面处理技术，具有低能耗、工序简单、铸渗层与基体结合牢固，不受铸件尺寸、形状限制等优点。使用铸渗的方法对铝合金进行表面处理时，可以利用铝热反应，在铸铝表面形成一层氧化层，以提高其耐热、耐蚀性能。

本文采用铸渗工艺对换热器铸铝件进行表面处理，即使用4种不同的涂料体系（Al₂O₃ CrO₃、SiC CrO₃、Cr₂O₃ CrO₃、Fe₂O₃ CrO₃）在以ZL109为基体的换热器铸铝件表面分别制得涂层。即在730ºC将铝液浇入涂有涂料的砂型里，利用浇注和铝液凝固释放的热量引发涂料与铝液的铝热反应，并使其自我维持，从而在铸件表面生成涂层。之后通过组织分析，成分分析，硬度分析，耐腐蚀性测试等方法对4种涂料体系制得的涂层进行分析测试，比较涂层质量及耐腐蚀性能。

实验结果证明，4种涂料体系都可以制得涂层，对铸铝冷凝器的各项性能有一定程度的提高，其中Cr₂O₃ CrO₃体系形成的涂层较薄，但致密性、连续性最好；Al₂O₃ CrO₃体系涂层较厚且连续致密； Fe₂O₃ CrO₃体系涂层最厚但致密性较差，SiC CrO₃体系涂层较薄，连续性和致密性均较差，与基体结合较差。形成的涂层主要成分为Cr₂O₃和Al₂O₃。另外，4种体系的耐腐蚀性能比起无涂层铸件都有显著提高，其中Al₂O₃ CrO₃体系铸件耐腐性性能最优。

关键词：铝合金，铸渗，换热器，表面合金化，铝热反应

STUDY ON THE PREPARATION AND CORROSION RESISTANCE OF AL ALLOY SURFACE COATING

Abstract

Due to its high conductivity, light density, high strength, high thermal conductivity, cast aluminum-silicon alloy is more widely used in gas water heater as the heat exchanger recent years. The environment of cast aluminum-silicon alloy is always heat and acidic, has an effect on its service life and safety. Therefore, surface treatment is necessary for improving its heat resistance, corrosion resistance, and prolonging service life. Casting infiltration is a technology which finishes casting and surface modification in one step. It has lots of advantages such as short production cycle, low cost, simple technology and strong surface combination, while without limitation of size and shape of the casting.

This thesis applied infiltration casting technology to research the surface treatment of aluminum alloy castings, which used four different coating systems (Al₂O₃ CrO₃, SiC CrO₃, Cr₂O₃ CrO₃ and Fe₂O₃ CrO₃) to prepare alloy layer on the surface of ZL109 castings. Poured liquid aluminum alloy into the sand mold painted with coating at 730 degrees centigrade. The heat caused by the liquid aluminum alloy could be used to start aluminum thermite reaction of the coating with the liquid and make it self-sustaining, thus the alloy layer generated in the surface of castings. Then used structure analysis, composition analysis, hardness analysis and corrosion resistance test to assess and compare the alloy layer quality and corrosion resistance of 4 systems.

The experimental result shows that the four kinds of coating system are all effective. The layer of Al₂O₃ CrO₃ system and Fe₂O₃ CrO₃ system is thicker and more continuous and dense. The layer of SiC CrO3 and Cr₂O₃ CrO₃ system is thinner, while the layer of Cr₂O₃ CrO₃ system is obviously better than SiC CrO₃ system in continuity. The corrosion resistance of all four is obviously better than the castings without layer especially in a more acidic environment. The layer of Al₂O₃ CrO₃ system is the best of corrosion resistance.

Key words: aluminum alloy, casting infiltration, heat exchanger, surface treatment, aluminum thermite reaction

目录

摘要 1

Abstract 2

目录 3

第一章 绪论 5

1.1 引言 5

1.2 冷凝式换热器简介 5

1.2.1 冷凝式换热器工作原理 5

1.2.2 铸铝冷凝式换热器的特点 5

1.2.3 铸铝冷凝式换热器存在的问题 6

1.3 铝合金表面处理方法 6

1.3.1 阳极氧化 6

1.3.2 电镀 6

1.3.3 化学镀 7

1.3.4 激光熔覆 7

1.3.5 微弧氧化 7

1.3.6 等离子喷涂 8

1.4 铸渗法表面处理 8

1.4.1 铸渗的分类 8

1.4.2 铸渗工艺 10

1.4.3 铸渗的影响因素 11

1.5 本文研究的主要意义和内容 12

1.5.1 研究目的和意义 12

1.5.2 研究内容 13

第二章 实验材料与方法 14

2.1 实验设备 14

2.2 实验材料 14

2.3 实验方案 14

2.4 分析测试方法 15

第三章 铸渗涂层制备研究 17

3.1 铝热反应热力学 17

3.1.1 吉布斯自由能的计算 17

3.1.2 绝热温度的计算 19

3.2 熔盐控制铝热反应 21

3.3 铸渗涂料设计的探索 22

3.3.1 Fe₂O₃ NaCl体系 22

3.3.2 Fe₂O₃ NaCl Mg体系 23

3.3.3 Fe₂O₃ (NaCl KCl MgCl₂₎ Mg体系 24

3.3.4 Cr₂O₃ （NaCl KCl MgCl₂） CMC体系 25

3.4 本章小结 25

第四章 涂料组成对铸渗涂层形成的影响 26

4.1 铸渗涂层的显微组织分析 27

4.2 铸渗涂层的成分分析 28

4.3 显微硬度分析 31

4.4 本章小结 31

第五章 铸渗涂层耐腐蚀性研究 32

5.1 腐蚀速度 32

5.2 骨料对涂层耐腐蚀性的影响 33

5.3 pH值对涂层耐腐蚀性的影响 34

5.4 涂层腐蚀机理探讨 37

5.5 本章小结 38

结论 39

致谢 40

参考文献 41

1. 绪论
   1. 引言

2013年，国内家用燃气热水器的产销量已高达230万台[^[1]]。按照《家用燃气快速热水器》GB6932-2001规定，普通家用燃气热水器的排烟温度在110~260ºC之间[^[2]]。目前，国内较为普及的居民用燃气热水器产品，热效率较低，在85%左右，而排烟温度在170ºC左右，排烟余热也未得到充分利用，存在明显的能源浪费现象。

在燃气热水器中，燃气燃烧产生的高温烟气中的热包含烟气的显热和烟气中水蒸气的汽化潜热，这部分热用于初步加热冷水。普通燃气热水器排烟温度较高，烟气中的水蒸气的汽化潜热不能充分的释放出来，只利用了烟气的显热对冷水进行加热。若在换热器中添加冷凝结构，可以充分利用烟气的显热和水蒸气的汽化潜热，从而提升燃气热水器的换热效率，这就是冷凝式燃气热水器。这种热水器在燃气设备尾部增设冷凝换热器，降低了排烟温度，在释放烟气显热的同时将烟气中的水蒸气冷凝，使汽化潜热释放出来，因此其热效率较常规热水器高10%~15%。冷凝式燃气热水器的热效率理论上可达到110%，显著高于普通热水器[^[3]]。

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