汽車鋁合金鑄件表面雜質(zhì)層對微弧氧化組織的影響

季環(huán)宇,汪兵兵,朱晨

博世華域轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司,上海 201800

0 引言

隨著經(jīng)濟的騰飛和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋁合金材料在實際生活中應(yīng)用得十分廣泛，因此各行各業(yè)對鋁合金表面性能的要求也在逐漸提高。利用微弧氧化技術(shù)處理后的鋁合金的表面生成的AlO氧化膜層通常都具有良好的性能，如耐磨、絕緣、耐腐蝕性等，在航空航天、電子信息、紡織機械、化工設(shè)備、建筑裝飾及儀器設(shè)備等領(lǐng)域具有很大的開發(fā)價值。為了克服鋁合金的腐蝕，采用微弧氧化技術(shù)對換熱器的內(nèi)壁進行表面處理。微弧氧化的原理是使金屬置于電解質(zhì)溶液中并通入電壓后，在金屬表面發(fā)生氧化反應(yīng)，生成耐腐蝕性優(yōu)良、絕緣性好的氧化陶瓷膜。文中通過對鋁合金鑄件表面雜質(zhì)層對微弧氧化組織的影響的研究，對試驗所得氧化層的組織性能進行分析，從而總結(jié)出鑄件表面雜質(zhì)對氧化層質(zhì)量影響規(guī)律，為其技術(shù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)，并且為鋁合金材料的應(yīng)用提供了更好的發(fā)展前景。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗所用材料為從汽車殼體鋁合金上采樣，試棒如圖1所示，取6根方形棒材制成樣品，樣品表層本身已覆有雜質(zhì)層，分別對這6根試樣直接進行微弧氧化處理。另外，從鑄件側(cè)面割下一塊方形片狀試樣進行XRD分析，方形片狀試樣如圖2所示。

圖1 試棒

圖2 方形片狀試樣

1.2 試驗藥品

使用3種藥品配制6 L電解質(zhì)溶液，其配方見表1。其中硅酸鈉共48 g、氫氧化鈉共30 g和乙二胺四乙酸二鈉30 g，并加入6 L蒸餾水。

表1 電解質(zhì)溶液配方

1.3 試驗儀器設(shè)備

試驗所使用的試驗儀器主要有：MAO-30 kW型微弧氧化成套設(shè)備；掃描電鏡設(shè)備(SEM)、X射線衍射儀(XRD);電子天平、稱量紙；水磨砂紙、燒杯；金相拋光機；熱恒溫鼓風(fēng)干燥機。

1.4 試驗流程

首先準(zhǔn)備好試樣，并對其進行鋸割、打磨等前期工作；然后分別對6組試樣進行微弧氧化處理;之后分別從每根試樣上截下一小段，將其磨平并選取一個截面進行拋光等后處理;最后進行SEM分析以及XRD分析。試驗流程如圖3所示。

圖3 試驗流程

試驗主要觀察電壓與時間的變化對氧化陶瓷層的影響，因此采取溫度、占空比和頻率等因素都不變的情況下進行微弧氧化，即電壓和時間兩個參數(shù)變化。每個樣品所對應(yīng)的氧化時間和電壓等參數(shù)分別見表2。

表2 試樣參數(shù)

2 試驗分析及結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

由于1#與2#樣品控制了電壓這個變量，采用相同電壓300 V，只是1#試樣通電20 min，而2#通電30 min，因此這兩組試驗現(xiàn)象基本相同。試樣表面基本觀察不到弧光，試驗過程中電流在不斷地變化，由開始的3 A逐漸降至0.3 A左右跳動。試驗現(xiàn)象如圖4所示。

圖4 電壓為300 V的試驗現(xiàn)象

3#與4#試樣，電壓均為400 V，3#通電20 min，4#通電30 min，試驗現(xiàn)象基本一致。表面可見反應(yīng)弧光，反應(yīng)比300 V時劇烈，電流不斷跳動，最終降至0.5 A左右。試驗現(xiàn)象如圖5所示。

圖5 電壓為400 V的試驗現(xiàn)象

5#與6#試樣，電壓均為450 V，5#通電20 min，6#通電30 min，試驗現(xiàn)象大致相同。表面出現(xiàn)劇烈的弧光，反應(yīng)最為激烈，電流不斷跳動且逐漸下降，最終在0.6 A左右。試驗現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 電壓為450 V的試驗現(xiàn)象

2.2 表面XRD分析

對經(jīng)微弧氧化處理過后的試樣表面作X射線衍射分析，觀察其表面元素及主要成分的變化情況。由于1#～6#試樣的表面XRD結(jié)果基本一致，因此選擇其中的6#試樣作具體分析，6#試樣進行微弧氧化時的主要電參數(shù)為：電壓450 V，氧化時間30 min，占空比50%。該試樣的表面X射線衍射結(jié)果分析如圖7所示。

圖7 微弧氧化層XRD分析

由圖7可觀察到，出現(xiàn)了明顯的α-AlO和γ-AlO的衍射峰，尤其是γ-AlO；該化合物并不是來自鋁合金基體本身的。由以上結(jié)論得知，出現(xiàn)α-AlO衍射峰和γ-AlO衍射峰是由于經(jīng)微弧氧化處理后，在試樣表面形成了一層氧化鋁膜層。

2.3 表面SEM分析

在完成微弧氧化處理之后，需對試樣表面進行SEM分析，觀察其表面形貌。圖8是在氧化時間為20 min、電壓為300 V的氧化下分別放大1 000倍及3 000倍時的表面形貌。由圖8a可觀察到，在放大1 000倍時，微弧氧化得到的氧化陶瓷層表面存在密集、大小不一的孔隙；在放大3 000倍時，孔隙被放大，如圖8b所示，可觀察到孔隙口為圓形、形狀似火山口，同時也可以看到周圍一些細(xì)小孔隙接近被堵住。

圖8 氧化時間為20 min、電壓為300 V氧化下的表面形貌

形成這種孔隙的主要原因是：在進行微弧氧化形成氧化膜時，會伴隨著產(chǎn)生電火花放電的現(xiàn)象，并且氧化膜層會被瞬間擊穿，在擊穿的同時會有熔融氧化物經(jīng)放電通道溢出，并在周圍沉積，因此形成了這樣的形似火山口的孔隙，一些細(xì)小孔隙也是由于這些沉積物而被堵住。

由圖9a可觀察到，在放大1 000倍時，該參數(shù)下氧化得到的陶瓷膜的孔隙變得更加細(xì)小，且數(shù)量有所減少；在放大3 000倍時，也可明顯看出孔隙明顯縮小，如圖9b所示。孔隙之所以縮小且數(shù)量減少，是因為電壓被升高且同時氧化時間也被增加了，微弧氧化反應(yīng)會因此更加劇烈。進而引起熔融氧化物的逐漸增多，孔隙會逐漸縮小，且因為氧化物增多了，更多細(xì)小的孔隙被沉積氧化物堵住，在試樣表面形成的氧化膜層也正是因為這個原因而變得更加致密。

圖9 氧化時間為30 min、電壓為450 V氧化下的表面形貌

由上述兩組試驗結(jié)果可知，鑄件表面含有雜質(zhì)層仍然可以生長出微弧氧化膜，且當(dāng)微弧氧化時間增加和電壓升高時，微弧氧化形成的膜層也會隨之變得更加致密。

2.4 截面SEM分析

試樣進行過微弧氧化后，會對每組試樣進行后處理，從每組試樣上截下一小塊制成小樣品，并對截面進行打磨拋光，以觀察其截面的形貌組織。圖10為1#～6#試樣的截面形貌。其中圖10a、c、d、e、f中灰色點劃線的上方為氧化膜，下方為鋁合金基體；圖10b中灰色點劃線左側(cè)為氧化膜，右側(cè)是金屬基體，圖中灰色點劃線表示基體和氧化膜層的界面。

圖10 1#～6#試樣的截面形貌

由圖10可知，1#～6#試樣均能生成微弧氧化膜，但可能由于試樣的處理過程以及打磨拋光過程不能完全控制一致，以及各個試樣拍攝角度不同，因此氧化膜層厚度不一，沒有表現(xiàn)出一定規(guī)律。但由以上結(jié)果可知，鑄件表面雜質(zhì)層并不會阻礙氧化陶瓷層的生長。因此，在鑄件表面含有雜質(zhì)層時，即使不作任何處理，在鑄件的表面也可以生長出良好的微弧氧化陶瓷層。

3 結(jié)論

(1)由鑄件經(jīng)微弧氧化XRD分析結(jié)果可知：經(jīng)微弧氧化處理后的試樣的XRD分析圖中出現(xiàn)了明顯的α-AlO和γ-AlO的衍射峰，說明不經(jīng)任何處理鑄件表面含雜質(zhì)層時是可以生成微弧氧化膜的。

(2)由SEM分析得到的表面形貌圖可知，多孔狀氧化膜的形成主要是因為在放電過程中，粒子擊穿氧化膜時熔融氧化物的溢出及沉積，因而形成了形似火山口的孔隙；根據(jù)不同參數(shù)下的結(jié)果對比可知氧化時采用的電壓越高、時間越長，得到的氧化膜層會更加致密，孔隙變得更小且數(shù)量更少。

(3)根據(jù)截面SEM分析可知，鑄件表面含雜質(zhì)層，基體表面仍然可以生長微弧氧化膜。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，在雜質(zhì)層表面的氧化機制具體可作如下總結(jié)：粒子在放電過程中首先擊穿雜質(zhì)層，然后在鑄件內(nèi)部合金基體的表面產(chǎn)生作用而生長出氧化陶瓷層。試驗結(jié)果也表明鋁合金鑄件表面雜質(zhì)層對微弧氧化組織的影響并不明顯，雜質(zhì)層并不會影響或阻礙陶瓷層的生長。