鋁-錳合金鍍層的微弧氧化研究

孟祥躍, 孫淑萍

（燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,河北秦皇島 066004）

鋁-錳合金鍍層的微弧氧化研究

孟祥躍, 孫淑萍

（燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,河北秦皇島 066004）

在鋼鐵基體上采用熔鹽電鍍的方法獲得鋁-錳合金鍍層,對鍍層進行微弧氧化后制得鋁-錳陶瓷膜。研究了不同質(zhì)量濃度的硅酸鈉電解液對鋁-錳陶瓷膜厚度和硬度的影響;測定了相應(yīng)質(zhì)量濃度下的塔菲爾極化曲線,以此評價鋁-錳陶瓷膜的耐蝕性;通過掃描電鏡觀察鋁-錳陶瓷膜的微觀形貌。

鋁-錳陶瓷膜;鋁-錳合金鍍層;微弧氧化;硅酸鈉

0 前言

鋼材具有較高的強度和優(yōu)良的機械加工性,在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用,但鋼材極易腐蝕,造成巨大的損失。微弧氧化又稱為等離子體氧化或陽極火花沉積,是近年來由陽極氧化發(fā)展而來的一種新的表面處理技術(shù)。它突破了傳統(tǒng)陽極氧化工藝對工作電壓的限制,將工作電壓引到高壓放電區(qū),在工件表面產(chǎn)生等離子微弧放電,產(chǎn)生微區(qū)局部高溫,從而產(chǎn)生高溫?zé)Y(jié)作用,在A1,Mg,Ti等金屬表面原位生長性能各異的陶瓷膜[1-3]。與傳統(tǒng)陽極氧化相比,微弧氧化陶瓷膜與基體結(jié)合牢固,結(jié)構(gòu)致密,具有良好的耐磨、耐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等性能,其工藝對環(huán)境無污染[4-6]。利用微弧氧化技術(shù)在鋼鐵基體上制作鋁合金的陶瓷膜是一種新型、具有功能性的防護技術(shù),還有待進一步的研究和發(fā)展。

1 實驗

采用SMD-30型數(shù)控雙脈沖電鍍電源,以A3鋼片為基體,在AlCl3-NaCl-KCl體系中進行熔鹽電鍍,獲得了鋁-錳非晶鍍層。電鍍時,脈沖頻率為1 000 Hz,正向占空比為 20%,反向占空比為10%,電鍍時間15 min。

采用MAO-5 000型脈沖氧化實驗電源進行微弧氧化,用Ф2.5 mm的鋁絲為電極引線,以不銹鋼槽為陰極,氧化過程中采用循環(huán)水冷卻。

采用CHI 704C型電化學(xué)工作站,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中測定鋁-錳陶瓷膜的電化學(xué)極化曲線,掃描速率為0.01 V/s,起始掃描電位為自腐蝕電位以上200 mV,終止電位為自腐蝕電位以下200 mV。

采用 HCC-24型涂層測厚儀測定陶瓷膜的厚度,每個樣品測10個點,取平均值。采用 HX-500型顯微硬度計測定陶瓷膜的硬度,載荷為1.96 N,加載時間為15 s,每個樣品測5個點,取平均值。用KYKY-2 800型掃描電鏡觀察陶瓷膜的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 微弧氧化陶瓷膜的表面形貌

本實驗采用Na2SiO3為微弧氧化電解液,制得的鋁-錳陶瓷膜呈亞光狀態(tài),表面均勻、致密,具有優(yōu)良的裝飾性能。圖 1是 Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,放大500倍和2 000倍時的陶瓷膜表面形貌。從圖1（a）中可以看出:鋁-錳陶瓷膜表面平坦、致密,有很多微小的燒結(jié)狀微粒;從圖1（b）中可以看到明顯的小孔,這是微弧氧化過程中形成的放電通道。由于鋁-錳合金鍍層是非晶態(tài)原位生長的,與建材型鋁合金或熱浸鍍鋁合金涂層經(jīng)微弧氧化制得的陶瓷層的表面形貌相比,鋁-錳陶瓷膜的燒結(jié)微粒均勻、細(xì)小,表面較平坦,“小火山錐”中心處的放電通道孔小而密集。

圖1 鋁-錳合金鍍層微弧氧化陶瓷膜的表面形貌

2.2 電化學(xué)極化曲線的分析

圖2是Na2SiO3的質(zhì)量濃度不同的條件下制得的鋁-錳陶瓷膜,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中測得的 Tafel極化曲線。表1是 Tafel極化曲線的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位。

圖2 鋁-錳陶瓷膜的 Tafel極化曲線

表1 Tafel極化曲線的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位

從圖2和表1可見:Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L和14 g/L時,自腐蝕電流密度比較接近,分別為1.289μA/cm2和 1.273μA/cm2,自腐蝕速率小;從自腐蝕電位的角度考慮,Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,鋁-錳陶瓷膜自腐蝕電位為-0.370 V,遠(yuǎn)高于Na2SiO3的質(zhì)量濃度為14 g/L時的自腐蝕電位-0.681 V,說明Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,自腐蝕程度最低。

2.3 膜厚和硬度的分析

圖3是Na2SiO3的質(zhì)量濃度不同的條件下制得鋁-錳陶瓷膜的厚度的變化曲線。

圖3 Na2SiO3的質(zhì)量濃度與鋁-錳陶瓷膜厚度的關(guān)系

從圖3中可以看出:當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,鋁-錳陶瓷膜的厚度為3.5μm,大于其他條件下制得的鋁-錳陶瓷膜的厚度。說明當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量質(zhì)濃度為8 g/L時,有利于陶瓷膜的生長,陶瓷膜的厚度也達(dá)到了最大值;隨著Na2SiO3的質(zhì)量濃度的增加,膜厚有所減小。原因是隨著Na2SiO3的質(zhì)量濃度的增加,大量的 SiO2-3聚集在陽極/電解液界面處,加劇了電子通過的阻礙,使擊穿電壓升高,延緩了膜層的生長[7];當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為6 g/L時,厚度為2.1μm,為本實驗中測得的最小值,說明電解液中SiO2-3的質(zhì)量濃度較小時,同樣不利于成膜。因此,Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,成膜速率最快。

圖4是Na2SiO3的質(zhì)量濃度不同的條件下制得鋁-錳陶瓷膜的硬度的變化曲線。

圖4 Na2SiO3的質(zhì)量濃度與鋁-錳陶瓷膜硬度的關(guān)系

從圖4中可以看出:隨Na2SiO3的質(zhì)量濃度的增加,鋁-錳陶瓷膜的硬度增大。當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度增大到 8 g/L時,硬度達(dá)到最大值,為4 374.3 MPa,說明此時膜層厚且致密;當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時,硬度有所下降,可能是由于Na2SiO3的質(zhì)量濃度較大使生成的鋁-錳陶瓷膜疏松[8],硬度下降。

3 結(jié)論

（1）鋁-錳合金鍍層能夠在Na2SiO3電解液中形成均勻、致密的鋁-錳微弧氧化陶瓷膜。膜層在宏觀上呈亞光狀態(tài),微觀形貌上可以看到無數(shù)微小放電通道,表面燒結(jié)物微粒細(xì)小。

（2）通過 Tafel極化曲線可知:當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,制得的膜層自腐蝕電流密度為1.289μA/cm2,自腐蝕速率較小;自腐蝕電位較高,為-0.370 V,自腐蝕程度較低。

（3）當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,鋁-錳陶瓷膜厚度達(dá)到最大值,為3.5μm;硬度也達(dá)到最大值,為4 374.3 MPa。這說明:當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度為8 g/L時,有利于鋁-錳陶瓷膜的生長,制得的陶瓷膜性能較佳。

[1] Li H X,Rudnev V S,Zheng X H,et al.Characterization of Al2O3ceramic coatings on 6063 aluminum alloy prepared in borate electrolytes by micro-arc oxidation[J].Journal of Alloys and Compounds,2008,462（1）:99-102.

[2] 許振明,徐孝勉.鎂和鋁的表面處理[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2005:220-222.

[3] 顧偉超,沈德久,王玉林,等.電解等離子體法制備Al2O3陶瓷層及其特性研究[J].物理學(xué)報,2005,54（7）:3 263-3 267.

[4] 張欣宇,方明,呂江川,等.電解液參數(shù)對鋁合金微弧氧化的影響[J].材料保護,2002,35（8）:39-41.

[5] 吳振東,姜兆華,姚忠平,等.純鋁及其合金微弧氧化陶瓷膜性能分析[J].稀有金屬材料與工程,2006,35（2）:148-151.

[6] Zhou Fei,Wang Yuan,Ding Hong-yan,et al.Friction characteristic of micro-arc oxidative Al2O3coatings sliding against Si3N4balls in various environments[J].Surface and Coatings Technology,2008,202:3 808-3 814.

[7] Nie X,Leyland A,Song H W,et al.Thickness effects on the mechanical properties of micro-arc discharge oxide coatings on aluminium alloys[J].Surface and Coatings Technology,1999,116:1 055-1 060.

[8] 于鳳榮,吳漢華,龍北玉,等.處理液濃度對鋁合金微弧氧化陶瓷膜成膜速率和硬度的影響[J].吉林大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版,2005,43（6）:825-829.

A Research on Micro-arc Oxidation of Al-Mn Alloy Coating

MENG Xiang-yue, SUN Shu-ping
（Environment and Chemical Engineering College,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

The aluminum-manganese alloy was plated on steel surface by molten salt plating,and then thus obtained deposit was turned into Al-Mn ceramic coating by micro-arc oxidation（MAO）.The effects of silicate electrolyte with different mass concentrations on the thickness and hardness of Al-Mn ceramic coating were investigated;the polarization curves（Tafel）at corresponding mass concentrations of silicate electrolyte were tested in order to analyze the corrosion resistance of the Al-Mn ceramic coating;and the micro-morphology of Al-Mn ceramic coating was analyzed by SEM.

Al-Mn ceramic coating;Al-Mn alloy coating;micro-arc oxidation;sodium silicate

TG 174.451

A

1000-4742（2010）01-0022-03

2009-07-27