電流密度對ZK60鎂合金微弧氧化膜層摩擦性能的影響

王 慶，董青松，楊 琳

電流密度對ZK60鎂合金微弧氧化膜層摩擦性能的影響

王 慶，董青松，楊 琳

(河南焦作風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454191)

磷酸鹽電解液體系下，利用微弧氧化技術(shù)在ZK60鎂合金表面原位制備了耐磨性陶瓷膜，通過SEM、XRD、硬度計和摩擦磨損試驗機，對不同電流密度下所制備的鎂合金微弧氧化陶瓷膜的微觀形貌、結(jié)構(gòu)組成、顯微硬度和摩擦系數(shù)等進行了研究。結(jié)果表明，微弧氧化膜主要由MgO組成；恒流模式下，隨著電流密度升高，氧化陶瓷膜的表面的微孔數(shù)量減少，但孔徑增大；表面顯微硬度則呈先增大后減少趨勢；當(dāng)電流密度為12 A/dm2時，在鎂合金表面所獲得的微弧氧化陶瓷膜具有較好的耐磨性。

鎂合金；電流密度；微弧氧化；摩擦性能

鎂合金具有比強度高、比彈性模量大、消震性好、以及良好的電磁屏蔽和導(dǎo)電導(dǎo)熱等性能，且易于機械加工和回收，是結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，密度為1.8 g/cm3左右，大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，廣泛應(yīng)用于航空航天、器械、汽車等領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)部件的制造，以達到輕量化的目的[1-2]。但在常溫下鎂合金表面易生成疏松的非晶態(tài)的MgO氧化膜，在磨損過程中極易脫落，且由于摩擦過程中所放出熱量易造成鎂合金的二次氧化磨損[3-5]，導(dǎo)致鎂合金的耐磨性能較差，抑制了其在工程中的應(yīng)用空間，因此，改善鎂合金的耐磨性能以來推廣鎂合金應(yīng)用，是鎂合金所面臨的亟待解決的問題。

微弧氧化技術(shù)是在傳統(tǒng)陽極氧化基礎(chǔ)發(fā)展而來的一種新型表面處理技術(shù)，是將陽極氧化區(qū)域從法拉第區(qū)引入到高壓放電區(qū)，使工件與電解液相互作用，在陽極工件表面形成弧光放電的微等離子氧化反應(yīng)，能直接在鋁、鈦、鎂等閥金屬及其合金表面原位生成氧化陶瓷膜；反應(yīng)過程中，等離子放電通道內(nèi)溫度高達2 000~8 000 ℃（電解液環(huán)境溫度為室溫）、壓力為100 MPa以上，在這種極端條件下可賦予工件表面陶瓷膜優(yōu)異的耐磨耐蝕和電絕緣等性能[6-7]；此外，微弧氧化技術(shù)成本低，可大面積實施表面處理，且對環(huán)境污染小。本文研究了不同電流密度對ZK60鎂合金微弧氧化陶瓷膜的表面形貌、相組成與摩擦性能的影響，從而提高鎂合金的耐磨性。

1 實驗部分

1.1 試驗材料

試驗材料為ZK60鎂合金，樣品尺寸：40 mm×40 mm×3 mm。采用水磨砂紙對試樣進行逐級打磨至1500#，然后用超聲在乙醇中清洗10 min，再用蒸餾水沖洗干凈后吹干。

1.2 試驗設(shè)備與電解液

試驗設(shè)備為50kW微弧氧化交流脈沖電源，電壓0~700 V可調(diào)，電流0~25A可調(diào)；電解液為蒸餾水所配置的堿性溶液，即20 g/L Na3PO4、4 g/L KOH和0.5 g/L NaF；電參數(shù)設(shè)定為：占空比45%，電源頻率500 Hz，氧化時間300 s，分別進行4 A/dm2、8 A/dm2、12 A/dm2和16 A/dm2的表面處理。反應(yīng)完成后用蒸餾水將試樣沖洗干凈并吹干備測試用。

1.3 測試分析方法

（1）鎂合金微弧氧化陶瓷膜的摩擦性能是通過H-II型球盤式摩擦磨損試驗機進行測試的。測試條件：室溫干摩擦，載荷2 N，轉(zhuǎn)度180 r/min，摩擦半徑15 mm，摩擦副為直徑15 mm GCr15鋼球，摩擦?xí)r間為300 s。

（2）利用數(shù)字式覆層測厚儀和維氏顯微硬度計對陶瓷膜厚度和硬度進行測試；采用S-4700型掃描電鏡對微弧氧化陶瓷膜表面進行微觀形貌分析；通過D/max-B型X-射線衍射儀對膜層進行物相組成分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對膜層表面形貌的影響

在微弧氧化反應(yīng)過程中，基體表面會出現(xiàn)大量游走的微小電火花，即微等離子體放電現(xiàn)象，在放電通道內(nèi)的高溫高壓下，基體表面被燒結(jié)熔融形成氧化物，并伴隨著O2析出，熔融的氧化物在冷的電解液冷淬作用迅速凝結(jié)堆積在基體表面，形成火山狀結(jié)構(gòu)表面，進而導(dǎo)致微弧氧化陶瓷膜呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，說明基體表面在微弧氧化反應(yīng)過程中經(jīng)歷了熔融、凝固和冷卻的過程。

圖1 電流密度對微弧氧化陶瓷膜表面形貌的影響

不同電流密度下微弧氧化陶瓷膜層的表面形貌如圖1所示，從圖中可以看出，膜層表面分布有大量呈火山狀且孔徑不一的微孔，以及裂紋。隨著電流密度的增加，微孔孔徑有所增大，但微孔數(shù)量隨之降低，膜層的致密性增加；當(dāng)電流密度達到12 A/dm2時，膜層的致密性較好，裂紋較少，膜層表面起伏較小且相對光滑，這對于微弧氧化膜層的耐磨性能有利；而隨著電流密度繼續(xù)增加，較大的微孔數(shù)量增多，表面起伏較大，使得膜層表面變得粗糙，存有明顯突起，且裂紋較多，這是由于膜層在生長過程中的晶型轉(zhuǎn)變以及冷的電解液環(huán)境下，產(chǎn)生大量的殘余熱應(yīng)力，導(dǎo)致膜層表面裂紋產(chǎn)生，因此，不利于提高膜層的耐磨性。

2.2 電流密度對膜層厚度和硬度的影響

圖2是電流密度對微弧氧化膜層厚度的影響。從圖2中可以看出，膜層厚度隨著電流密度的增大，呈先增加而后保持漸穩(wěn)定，這是由于電流密度增大，基體表面所獲得的微弧氧化反應(yīng)驅(qū)動力增大，使得微弧氧化的擊穿能量增加，擊穿原有陶瓷膜的薄弱區(qū)域，進而使得膜層厚度不斷增加；然而，在過高電流密度下，陶瓷膜在高能高熱的放電作用下，造成已經(jīng)形成的陶瓷膜被破壞，膜層的表面起伏突起增加，增大了膜層的粗糙度，與圖1 d的SEM結(jié)果相一致，不利于提高膜層耐磨性。

鑒于此結(jié)果，大電流密度可有效提高膜層的成膜效率和晶型轉(zhuǎn)變，但是其卻容易引起膜層表面粗糙度的增加，放電通道內(nèi)存有大量的氣體噴出造成膜層表面微孔的孔徑增大且較多，導(dǎo)致膜層的表面致密性下降。

圖2 電流密度對微弧氧化陶瓷膜厚度的影響

圖3 電流密度對微弧氧化陶瓷膜厚度的影響

不同電流密度下所制備的膜層的顯微硬度如圖3所示。從圖中可以看出，膜層的硬度隨著電流密度的增加而增大，且所有微弧氧化陶瓷膜的硬度都比鎂合金基體的要高，表明微弧氧化處理能有效提高膜層的硬度。當(dāng)?shù)竭_12 A/dm2時，膜層的顯微硬度達到最大，即312.1 HV；而隨著電流密度進一步增大，膜層硬度反而下降。是由于電流密度過大造成膜層表面粗糙度增大，較大的微孔數(shù)量較多致使膜層表面疏松，進而使得膜層的硬度降低。

2.3 電流密度對膜層摩擦性能的影響

圖4為不同電流密度下鎂合金微弧氧化陶瓷膜在室溫環(huán)境下的摩擦系數(shù)曲線。從圖中可以看出，鎂合金經(jīng)過微弧氧化處理后，膜層的摩擦性能優(yōu)于基體，且曲線你也出現(xiàn)劇烈的起伏，說明陶瓷膜對鎂合金基體具有保護作用。

膜層的摩擦系數(shù)隨著電流密度的增加而先減小后增大，通過計算分析可知，鎂合金基體的平均摩擦系數(shù)為0.54，隨著電流密度的增大，平均摩擦系數(shù)依次為0.47、0.27、0.24和0.35，在較低電流密度下所制備的膜層較薄且硬度較低，使得在相同摩擦條件下磨損較為嚴重；而過大電流密度下所制備的膜層的粗糙度較高且表面較為疏松，因而膜層摩擦系數(shù)較大；相比較下電流密度為12A/dm2時，摩擦曲線較為穩(wěn)定且摩擦系數(shù)較小，這是由于微弧氧化膜層從內(nèi)向外，由過渡層、致密層和疏松層組成，其中致密層的硬度較大，從顯微硬度結(jié)果可知，在12A/dm2時所制備的膜層的硬度最大，表明膜層的疏松層較薄，而致密層較厚，結(jié)合摩擦曲線可得，在此電流密度下制備膜層的磨損過程處于致密層中，從而提高了膜層的摩擦性能。

根據(jù)經(jīng)典的Archard磨損模型[8-9]，在固定的摩擦條件下，材料的耐磨性能與摩擦系數(shù)和硬度有關(guān)，即：

V∝K/H

其中：——體積磨損率；

——摩擦系數(shù)；

——硬度。

由此可以看出，在電流密度為12 A/dm2下所制備的鎂合金微弧氧化陶瓷膜的摩擦性能較好。

圖4 電流密度對微弧氧化陶瓷膜摩擦性能的影響

2.4 微弧氧化陶瓷膜層的組成分析

在電流密度為12A/dm2下所制備的鎂合金微弧氧化陶瓷膜的XRD圖譜如圖5所示。結(jié)果表明，膜層主要有立方結(jié)構(gòu)的MgO相和Mg組成，該MgO立方相是由于放電通道內(nèi)高溫高壓的極端條件下生成的高溫相，不同于鎂合金在空氣中生成的MgO非晶氧化膜，立方結(jié)構(gòu)MgO相具有較高的硬度和耐磨性；MgO的PDF卡片為45-0946#，在42.916和62.302處出現(xiàn)了（200）和（220）晶面衍射峰。圖譜中Mg衍射峰，是由于X射線穿透膜層到達基體所致。

而P元素未出現(xiàn)，表面P元素以非晶態(tài)存在，為此進一步對膜層進行了EDS分析，如圖6和表1所示，可知膜層中除了Mg元素和O元素外，還有Na元素、K元素和P元素，說明電解液中的組分參與了微弧氧化反應(yīng)。

圖5 鎂合金微弧氧化陶瓷膜的XRD圖譜

圖6 鎂合金微弧氧化陶瓷膜的EDS分析圖譜

表1 鎂合金微弧氧化陶瓷膜的元素分析結(jié)果

3 結(jié) 論

（1）與鎂合金基體相比，微弧氧化技術(shù)能顯著改善鎂合金的耐磨性能；

（2）電流密度為12A/dm2時，硬度可達312.1HV，摩擦系數(shù)為0.24，微弧氧化陶瓷膜的摩擦性能較好；

（3）在磷酸鹽電解液體系下所制備的微弧氧化膜層，主要由立方結(jié)構(gòu)MgO相組成。

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Effect of Current Density on Tribological Property of Micro-arc Oxidation Coating on ZK60 Magnesium Alloy

（Jiaozuo Aeolus Tyre Co., Ltd., Hennan Jiaozuo 454191, China)

Wear-resistant ceramic coating was prepared on ZK60 magnesium alloy by micro-arc oxidation in the phosphate electrolyte. The surface morphology, phase composition, micro-hardness and tribological property of micro-arc oxidation coating formed in different current density were investigated by SEM, XRD, micro-hardness tester and friction-abrasion testing machine. The results indicate that ceramic coating ismainly composed by MgO. The ceramic coating shows the higher hardness and lower friction coefficient under current density of 12 A/dm2.

magnesium alloy; current density; micro-arc oxidation; tribological property

2016-11-16

王慶（1983-），男，中級職稱，碩士，遼寧沈陽人，2011年畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)高分子材料與物理專業(yè)，研究方向：高分子材料。

TM 344.1

A

1004-0935（2017）01-0023-04