MgO和SiO2對(duì)2Al2鋁合金微弧氧化膜耐磨性能的影響

李玉海，王 帥，張白冰

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

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MgO和SiO2對(duì)2Al2鋁合金微弧氧化膜耐磨性能的影響

李玉海，王 帥，張白冰

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

采用微弧氧化技術(shù)，對(duì)2Al2鋁合金表面進(jìn)行處理。在KOH和Na2SiO3電解液中分別添加MgO和SiO2粉末，使鋁合金表面生成復(fù)合陶瓷膜，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線(xiàn)衍射儀(XRD)分析膜層的微觀(guān)形貌和物相組成并對(duì)膜層進(jìn)行耐磨性能分析。結(jié)果表明，添加MgO粉末生成的陶瓷層在微弧氧化過(guò)程中與Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成鋁鎂尖晶石，使陶瓷膜變得光滑，而添加的SiO2粉末附著在缺陷和微孔周?chē)?，兩種粉末的添加增加了微弧氧化陶瓷膜的耐磨性能。

微弧氧化;Al2O3；MgO；SiO2；摩擦磨損

2Al2鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、易于成形加工等優(yōu)點(diǎn)，多用于航空航天領(lǐng)域，但是其耐磨性較低，耐蝕性較差，應(yīng)用性能達(dá)不到要求[1]。微弧氧化是鋁、鎂、鈦及其合金表面在電解液中產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓作用，生長(zhǎng)出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層，具有高硬度、耐磨、強(qiáng)絕緣、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在軍事、航天航空、機(jī)械及醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。但由于微弧氧化是一個(gè)多種因素控制的復(fù)雜過(guò)程[3]，需要合理選擇微弧氧化實(shí)驗(yàn)中的參數(shù)[4-7]，膜層的主要成分為α-Al2O3和γ-Al2O3，其耐磨性能主要取決于這兩種氧化鋁所占的比例[8]。本文通過(guò)在Na2SiO3+KOH基礎(chǔ)電解液中分別添加MgO與SiO2粉末，分析兩種粉末對(duì)膜層的組織結(jié)構(gòu)和耐磨性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為2Al2鋁合金，其成分為Cu:3.8%～3.9%,Mn:0.3%～0.9%,Mg:1.2%～1.8%,Si:小于0.5%，Zn:小于0.25%，Ti：小于0.15%，Cr：小于0.1%，試樣尺寸為40mm×17mm×1mm，經(jīng)過(guò)砂紙的打磨、除油、無(wú)水乙醇及去離子水清洗，烘干后密封保存。用去離子水配置KOH和Na2SiO3溶液，再稱(chēng)量一定量的MgO與SiO2粉末分別添加到KOH和Na2SiO3溶液中，MgO為輕質(zhì)氧化鎂，SiO2粒度為D50=27μm。經(jīng)過(guò)超聲波震蕩，放入電解槽內(nèi)，連接著10kW的微弧氧化裝置，打開(kāi)電源，調(diào)節(jié)參數(shù)，正電壓為530V，負(fù)電壓為60V,時(shí)間為30min。電解液溫度保持在30℃左右。采用日本生產(chǎn)的日立S-3400N掃描電子顯微鏡觀(guān)察膜層表面形貌元素分布，通過(guò)樣品噴金增加陶瓷膜層的導(dǎo)電性能，使照片清晰可見(jiàn)。采用TT230數(shù)字式覆層測(cè)厚儀測(cè)量膜層厚度，采用日本理學(xué)D/max-2500/PCX射線(xiàn)衍射儀測(cè)量氧化膜相組成成分，選用MMW-1A萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定微弧氧化膜層的耐磨性能。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速設(shè)定60r/min，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5min，結(jié)束后稱(chēng)量損失失重，從摩擦系數(shù)和失重來(lái)判定微弧氧化膜層的耐磨性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氧化時(shí)間和添加劑對(duì)氧化膜層厚度的影響

圖1為氧化時(shí)間與微弧氧化陶瓷膜膜層厚度的關(guān)系，從圖1可看出，10min到30min時(shí)成膜速率加快；40min到60min時(shí)雖然繼續(xù)生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速度趨于緩和，表面粗糙不平，成膜質(zhì)量不好；20min到30min時(shí)間段生長(zhǎng)速度最快。原因是前期放電擊穿比較容易，反應(yīng)速度很快，成膜速度也隨之加快，但是反應(yīng)中期膜層有一定的厚度，擊穿變的越來(lái)越困難，導(dǎo)致導(dǎo)電能力差，致使成膜速度減慢，必須增高電壓才能正常進(jìn)行。鋁合金微弧氧化陶瓷分為三層膜，最內(nèi)層為基體，中層為致密層，外層為疏松層。中外層都由α-A12O3、γ-A12O3兩種氧化鋁組成，α-A12O3的硬度比γ-A12O3高很多，而致密層α-A12O3的含量要高于疏松層，導(dǎo)致致密層的硬度和耐磨性都比疏松層高，通過(guò)合理的膜層比例厚度來(lái)確定微弧氧化時(shí)間。圖2為KOH和Na2SiO3電解液中添加不同計(jì)量的MgO和SiO2粉末氧化膜層厚度與時(shí)間的關(guān)系，由圖2可以看出，兩種粉末的添加，膜層厚度增加。SiO2粉末添加到4g/L時(shí)達(dá)到最高值，MgO粉末添加到25g/L時(shí)達(dá)到最高。MgO和SiO2為非導(dǎo)電介質(zhì)，隨著放入量的增加，電解溶液的導(dǎo)電性越差，陰陽(yáng)離子的移動(dòng)速度越慢，導(dǎo)致成膜速度變慢。

圖1 以KOH和Na2SiO3為電解液時(shí)間-膜層厚度的關(guān)系

圖2 不同濃度的MgO和SiO2添加到KOH和Na2SiO3電解液與膜層厚度的關(guān)系

2.2 膜層的表面形貌

圖3a為未添加粉末的KOH和Na2SiO3電解液生成的微弧氧化陶瓷膜，表面微孔遍布整個(gè)工件表面，微孔大小不一，面上凹凸不平，非常粗糙，局部還有裂紋。圖3b為添加MgO粉末顆粒生成的陶瓷膜表面形貌圖，微孔數(shù)量明顯減少，表面平整光滑，白色物質(zhì)分散在微孔周?chē)?，分布較均勻。圖3c為添加SiO2粉末形成的微弧氧化形貌圖，微孔數(shù)量既少又小，表面較光滑，幾乎無(wú)裂紋，有少量白色粉末分散在微孔及其周?chē)⒖壮驶鹕叫螤?。由圖3b、圖3c可以看出，添加MgO和SiO2粉末的陶瓷膜整體要比未添加粉末原電解液的陶瓷膜要平整光滑，微孔數(shù)量變少，其原因是MgO和SiO2粉末在微孔處彌散分布，使微孔變小，甚至有些微孔消失，粉末的添加填平了組織表面的凹陷處，使其平滑整齊。微孔為前期微弧氧化氧化膜生長(zhǎng)在缺陷上，隨著電壓的增大，氧化膜的厚度也逐漸增大。當(dāng)膜層厚度達(dá)到一定值時(shí)，陶瓷膜被擊穿，形成放電通道，離子從放電通道通過(guò)，加快了成膜速度，膜層生長(zhǎng)覆蓋了微孔，電壓會(huì)擊穿膜層形成放電通道使其進(jìn)行，最終形成火山狀的表面形貌，兩種粉末附著在微孔周?chē)柚沽肆鸭y的進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖3 不同電解液生成的微弧氧化陶瓷SEM

2.3 膜層的相組成

圖4為不同成分的陶瓷膜內(nèi)的相組成。

圖4 不同成分的陶瓷膜的相組成

由圖4a和圖4b對(duì)比可知，γ-Al2O3的衍射峰明顯不同。添加SiO2粉末生成的氧化膜層α-Al2O3要比未添加SiO2粉末生成的α-Al2O3多，表明添加粉末所生成的陶瓷層要比原電解的更厚。其原因是SiO2的添加促使α-Al2O3膜層的增長(zhǎng)，α-Al2O3是Al2O3的穩(wěn)定形態(tài)，成膜前期形成大量的γ-Al2O3，當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，溫度達(dá)到1200℃，γ-Al2O3開(kāi)始轉(zhuǎn)變。但是由于升溫快，冷卻速度也極快，導(dǎo)致還有一部分γ-Al2O3的存在，SiO2的加入隨著粒子反應(yīng)通道進(jìn)入膜層表面，減少了Al2O3的高冷速度，使膜層大部分以α-Al2O3存在，膜層因此變厚，膜層的硬度，耐磨性能也隨之提高。圖4c為添加MgO粉末生成的膜層X(jué)RD圖譜，由圖4c可以看出，主峰都為Al和α-Al2O3，次峰為MgAl2O4。由圖4a與圖4c明顯看出，膜層成分的改變，MgO粉末的添加導(dǎo)致γ-Al2O3的消失，原因是電解初期形成放電通道，在表面形成氧化膜層，其物相為γ-Al2O3，MgO為離子化合物，高電壓導(dǎo)致MgO粉末的電離，大量的Mg2+流入放電通道，進(jìn)而進(jìn)入膜層表面，由于γ-Al2O3在當(dāng)前溫度下不穩(wěn)定，具有尖晶石結(jié)構(gòu)，和Mg2+發(fā)生反應(yīng)，形成鋁鎂尖晶石。

圖5為添加氧化鎂粉末的SEM與EDS圖像，由圖5可以看出由于MgO粉末的加入，膜層中有大量的Mg，可以證明MgO粉末在微弧氧化反應(yīng)過(guò)程起到了不可或缺的作用。

圖5 添加MgO生成的陶瓷膜元素成分

2.4 陶瓷膜耐磨性能研究

圖6為微弧氧化陶瓷膜摩擦系數(shù)與氧化時(shí)間的關(guān)系，由圖6可看出，未添加粉末的KOH和Na2SiO3生成的微弧氧化陶瓷膜前期摩擦系數(shù)在0.2左右波動(dòng)，時(shí)間超過(guò)50s時(shí)，摩擦系數(shù)隨時(shí)間急劇增長(zhǎng)到0.4，最后平穩(wěn)到0.38左右，在190s左右時(shí)，膜層基本被磨露。添加MgO粉末的微弧氧化陶瓷膜前期摩擦系數(shù)在0.25以下浮動(dòng)，到175s時(shí)，摩擦系數(shù)略有增加，全程基本穩(wěn)定不變，證明陶瓷層基本上只有表面的疏松層被磨掉，陶瓷層很致密，耐磨性能較好。添加SiO2粉末的陶瓷膜實(shí)驗(yàn)前期摩擦磨損系數(shù)在0.23左右，到達(dá)275s左右時(shí)開(kāi)始增加，最后在0.3左右浮動(dòng)，證明添加SiO2粉末陶瓷層比較致密，耐磨性能比較好。添加粉末的復(fù)合陶瓷膜耐磨性要高于單一陶瓷層的性能。

圖6 不同電解液陶瓷膜的摩擦系數(shù)-時(shí)間的關(guān)系

圖7為三種電解液形成的陶瓷膜的摩擦磨損所損失的重量隨時(shí)間變化關(guān)系，由圖7可以看出，KOH和Na2SiO3生成的陶瓷膜隨著時(shí)間的增加，磨損量呈線(xiàn)性增加。添加MgO和SiO2粉末生成的陶瓷膜，前期磨損幅度要小于未添加的磨損量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后磨損量基本保持不變，可以說(shuō)明添加MgO和SiO2粉末的微弧氧化陶瓷層耐磨性能更加優(yōu)越。

圖7 不同電解液陶瓷膜的磨損失重-時(shí)間關(guān)系

3 結(jié)論

(1)微弧氧化膜層隨時(shí)間的增加而增加，添加MgO和SiO2粉末生成的陶瓷膜要厚于KOH和Na2SiO3電解液生成的陶瓷膜。

(2)MgO粉末添加到KOH和Na2SiO3電解液中，微弧氧化過(guò)程中與γ-Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成鋁鎂尖晶石，Al2O3以α-Al2O3形式留在膜層中。SiO2粉末添加到KOH和Na2SiO3電解液中，彌散在微孔附近，填充到缺陷表面。

(3)MgO和SiO2粉末的添加使微弧氧化復(fù)合陶瓷膜的耐磨性能得到提高。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Influence of MgO、SiO2on Micro-arc Oxidation Composite Ceramic Coating of 2Al2 Aluminium Alloy

LI Yuhai,WANG Shuai,ZHANG Baibing

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Micro-arc oxidation technology was used to make surface treatment for 2Al2 alloy.By adding MgO and SiO2powders into the electrolyte solution,a composite wear resistant layer generated during the micro-arc oxidation process.Scanning electron microscopy(SEM)and X-ray diffraction(XRD)technology were used to analyze morphology and phase composition of the ceramic film.In addition,the wear resistance of the layer was also analyzed.The experimental results indicated that MgO powder would react with Al2O3to form alumina-magnesia spinel phase which makes the ceramic layer more smooth.The SiO2powder would distribute around the micro pores.The wear resistance of the ceramic layer was improved by adding SiO2and MgO.

micro-arc oxidation;Al2O3;MgO；SiO2;wear resistance

2015-11-09

李玉海(1962—)，男，教授，博士，研究方向：金屬材料表面改性。

1003-1251(2016)05-0068-05

TG146.2；TG174.44

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