微弧氧化层对铝和不锈钢界面高温扩散行为的影响

稳定辊作为热镀锌钢板生产线上的重要设备之一，其作用是在热镀锌钢板的生产过程中，限制带钢左右摆动。稳定辊属于从动辊，通常采用抗蚀性较好的SUS316L不锈钢制造，工作于425～600℃的金属液中，因此要求其质量轻以尽可能减小转动惯量；其次，由于稳定辊本身材料的性质以及工作环境的影响，稳定辊表面需经常进行车磨加工，这就要求其初始直径尽量大以延长使用寿命。显然使用空心辊可以大程度地减小转动惯量、节约材料以及增大直径。但是空心辊的大问题是：如果制造过程中由于材料本身的问题或工艺上控制不严，导致焊缝存在某些缺陷，使稳定辊在使用或维护过程中发生渗漏，渗入辊筒内的液体在高温下急剧膨胀，从而引发安全问题。因此，选用一种低密度材料来填充其原有空腔以制造一种新型的填充型稳定辊是一种较好的折中方案。从材料的密度、熔点(大于600℃)、高温物理化学稳定性、高温塑性、加工性和经济性等各方面考虑，铝是合适的填充材料。

　　
但是，铝和SUS316L不锈钢存在化学活性和物理性能差异，不锈钢中存在的碳元素，在高温下会向铝中扩散，形成Al4C3。Al4C3呈针状，显著恶化铝的性能，且溶解于水并生成气体，万一有水进入稳定辊内部，Al4C3溶解会产生局部空洞，这对安全不利。此外，铝和不锈钢中的铁、铬和镍在高温下分别会向不锈钢和铝中扩散，铁和铝也可能会产生脆性相，所以应在不锈钢和铝之间设置中间层来解决这一问题。本文通过分析比较，着重对经微弧氧化的铝和不锈钢在高温下的互扩散行为进行研究，试图能有效抑制铝与不锈钢在高温下元素互扩散，从而保证稳定辊在高温下不锈钢辊筒的组织和性能不会发生变化。

　　
铝的表面保护措施主要有镀层、阳氧化、稀土转化膜、微弧氧化、激光处理和离子注入等。考虑填充材料的结构尺寸、加工的便易性和经济性，初步确定表面镀层和微弧氧化两种方法比较合适。对于Al而言，虽然表面镀Ni有较好的高温性能和抗腐蚀性，Ni又是不锈钢的主要成分，与不锈钢具有良好的冶金学上相容性，但Al和Ni在晶体结构上存在较大差异，直接镀Ni易脱落，因此需用Cu作过渡层，然后再在Cu镀层上镀Ni，这样镀层与基体的结合效果较好。然而由于Al和Cu在548℃即可发生共晶反应，因此在610℃的高温下会变为液态Al-Cu共晶系，金属在液态下扩散能力和界面反应程度会大幅增加。因此，在铝表面镀Cu/Ni复合镀层的方法实际上不适用于工作温度在610℃的工作环境。

　　
采用微弧氧化的方法可在铝基体表面形成一层较致密的Al2O3氧化层，其熔点温度可达2050℃，远远高于稳定辊的工作温度，从而能有效隔绝Al和不锈钢在610℃高温下的互扩散。为保证微弧氧化层的保护效果，将微弧氧化膜厚度定为30μm。综上所述，决定对铝基体采用微弧氧化处理，并通过试验确定其保护效果。

　　
先分别将纯铝和不锈钢制成100mm×100mm×10mm的试样，对其表面进行机械抛光后清洗，随后对其中的铝试样进行微弧氧化处理，控制微弧氧化层厚30μm左右。将两块试样使用丙酮进行超声波清洗去除表面油污后叠放在一起，使用重物进行加压后放入钎焊炉中。钎焊炉保持微真空状态，炉内温度从室温逐步升到610℃，保持50h后将试样取出。在610℃的情况下，30μm厚的微弧氧化保护层可以有效阻止Al向不锈钢中扩散，且Al2O3微弧氧化层本身不会与Al基体或不锈钢发生反应。