鑄造鋁合金微弧氧化形膜工藝和氧化膜耐磨的特性分析

胡 照

（海軍裝備部，陜西西安 710043）

1 微弧氧化技術(shù)概述

微弧氧化技術(shù)是以陽極氧化技術(shù)為基礎(chǔ)，將強電場施加到合金上，在鋁合金表面形成氧化膜，是目前最先進的金屬表面處理技術(shù)。在反應(yīng)過程中，不僅會產(chǎn)生化學(xué)氧化反應(yīng)，還會出現(xiàn)等離子體氧化、電化學(xué)氧化等，并產(chǎn)生多樣化放電形式，如微弧、火花、電暈等，其放電過程復(fù)雜。微弧氧化的基本原理是在特殊配置的電解液中浸入合計制作樣件，將樣件呈陽極并施加高電壓，使樣件表面產(chǎn)生細微而均勻的弧光放電現(xiàn)象，其表面溫度在電壓數(shù)值超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值的瞬間升高至2 000 ℃，從而形成超高溫區(qū)。同時，試樣的基底和氧化物在區(qū)域內(nèi)被熔融，甚至在基體材料表面形成氧化膜的電解液中發(fā)生熱電離反應(yīng)和離子反應(yīng)。目前，從基體到表面膜層的環(huán)節(jié)主要分為疏松層、過渡層及硬質(zhì)層，各層次間沒有明顯的分界，總厚度在20～300 μm，最厚位置擴展到400 μm，顯微硬度在600～2 000 hv，最高硬度在3 000 hv，絕緣電阻在100 mΩ 以上。目前，在微弧氧化陶瓷層生產(chǎn)過程中，并未構(gòu)建統(tǒng)一的理論模型，認定微弧氧化包括形成空間電荷、等離子體遷移、基體材料熱熔化等環(huán)節(jié)。

2 微弧氧化電擊穿機理分析

判斷微弧氧化電擊穿有3個步驟：①隨著氧化膜某些區(qū)域?qū)щ娐实牟粩嗵岣撸瑓^(qū)域內(nèi)部產(chǎn)生導(dǎo)電通道，在這些導(dǎo)電通道內(nèi)產(chǎn)生強烈的電子雪崩效應(yīng)，釋放出相應(yīng)的熱量，從而使基體融化并自動留在導(dǎo)電通道內(nèi)部，這也是陶瓷層生長過程。同時，大量電解質(zhì)陰離子在強電場的作用下，結(jié)合各種反應(yīng)作用，被輸送到導(dǎo)電通道中，形成完整的等離子團。②在等離子體團出現(xiàn)各種等離子體反應(yīng)后，持續(xù)增加導(dǎo)電通道中壓力，為提高導(dǎo)電通道壓力的平衡性，要適當(dāng)增加等離子體團。在承受強電場反向作用下，導(dǎo)電通道中帶正電等離子體團和電解液相互結(jié)合。③各種產(chǎn)品受到溶液冷卻因素影響，導(dǎo)致其產(chǎn)品溫度大幅度降低，在導(dǎo)電通道中進行沉積，從而產(chǎn)生新型氧化膜，如圖1所示。

圖1 微弧氧化反應(yīng)電擊穿模型

3 鑄造鋁合金微弧氧化陶瓷層摩擦磨損特性研究

3.1 陶瓷摩擦要素

當(dāng)兩物體摩擦?xí)r，其表面微細凸起相互接觸，在接觸環(huán)節(jié)會受到兩物體的面壓，微凸環(huán)節(jié)受到應(yīng)力產(chǎn)生塑性變形，在兩個表面的中間位置產(chǎn)生粘著性，在接觸環(huán)節(jié)中，兩個物體會產(chǎn)生面壓作用，工作人員須清楚粘合環(huán)節(jié)，才能沿表面移動。大氣中的金屬摩擦系數(shù)為1.0，超高真空氣中的銅金屬摩擦系數(shù)高達100，對于計算值和實測值差異過高問題，主要原因是接觸環(huán)節(jié)存在剪切力，所產(chǎn)生的屈服應(yīng)力根據(jù)屈服條件下降而減少，隨著接觸面積進一步拓展，會增加摩擦力，得到材料摩擦系數(shù)不存在差別。事實上，陶瓷摩擦系數(shù)在大氣中為0.3，真空狀態(tài)下低于1.0，橡膠即便在大氣狀態(tài)下也能達到3.0。通過分析摩擦痕跡發(fā)現(xiàn)，由于剪切力處于粘附環(huán)節(jié)，進一步拓展摩擦痕跡覆蓋范圍，導(dǎo)致剪切裂痕不僅附著在接觸粘附面上，還會延伸到材料內(nèi)部。

隨著塑性滑移區(qū)域持續(xù)拓展，最靠近表面環(huán)節(jié)材料和表面滑移相互平行，部分材料在摩擦面進行往復(fù)動作。但由于該區(qū)域平行表面的剪切力和垂直表面壓力相互作用，能有效避免兩個面同步產(chǎn)生脫落斷裂問題，且當(dāng)內(nèi)部垂直表面壓力減少，滑移在雜質(zhì)顆粒不均勻位置出現(xiàn)塑性開裂問題，損壞材料質(zhì)量，降低脫落晶粒尺寸，甚至到達無法識別的程度。在這種裂紋起始斷裂時，大量碎片附著在摩擦面上，在二次接觸中被切削磨屑。在陶瓷材料加工時，材料塑性滑移性能受到磨損率、摩擦力等因素限制，所以要加強晶體結(jié)構(gòu)磨損率和摩擦力。通常材料表面時常被各種外在因素污染，在表面覆蓋一層夾雜物，假設(shè)該夾雜物塑性滑移性較強的材料，其剪切作用在表面夾雜物中，在基底材料內(nèi)部不會產(chǎn)生塑性斷裂裂紋變形問題，有利于進行二次物體相對位移。但無論夾雜物那個方面出現(xiàn)滑移，都很難進行磨損，考慮到兩個物體中間的粘附性，摩擦系數(shù)較高，均為0.3左右，夾雜物層薄厚程度和表面壓力呈反比。當(dāng)表面夾雜物塑性滑移難度超過基底材料時，回在材料內(nèi)部產(chǎn)生較強的塑性變形。

3.2 摩擦中的潤滑狀態(tài)

摩擦潤滑狀態(tài)主要包括邊界潤滑、彈性流體動力潤滑、流體潤滑等。摩擦表面有一層極薄的潤滑膜存在時的摩擦稱為邊界摩擦；混合摩擦是屬于過渡狀態(tài)的摩擦，包括半干摩擦、半濕摩擦等。另外，還有高速、高溫、低溫、真空摩擦等。過高溫度摩擦?xí)r，摩擦副容易發(fā)生機械破壞而失效，過低溫度摩擦?xí)r，由于材料失去原來的特性，也會造成摩擦失效。

3.3 耐磨性試驗設(shè)備和試驗方法

采用SM-2型往復(fù)摩擦磨損試驗機進行微弧氧化陶瓷層的磨損試驗，試驗樣品應(yīng)用Z1101鋁合金材料，試驗數(shù)據(jù)如下：摩擦頻率60 Hz、載荷2000 N、行程180 m、試樣尺寸30 mm×20 mm×40 mm，試驗時間控制在120 min，溶液主要包括KOHg/L、Na2SIO3g/L，電流密度10 A/dm2，頻率為50 Hz。對磨材料性質(zhì)為GGrl5，硬度HRC65.5，表面粗糙度為Ra1.6。同時，在試驗中要將20號機油為潤滑劑，每隔5 h 采用AUW 分析天平稱量一次樣件，并在每次稱量前用丙酮清理干凈。

3.4 微弧氧化膜層摩擦磨損特征分析

3.4.1 摩擦?xí)r間對微弧氧化陶瓷層失重量的影響

通過進行鋁合金微弧氧化陶瓷層的磨損試驗，編制完整的磨損曲線變化圖，如圖2所示。由圖2可知，發(fā)現(xiàn)在試驗初期階段磨損失重量持續(xù)下降，等時間延長15 h 后，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，進入到穩(wěn)定磨損狀態(tài)。主要原因是微弧氧化處理技術(shù)的氧化鋁陶瓷層具有硬度高、耐磨性能強等特征，通過微弧氧化處理的氧化鋁陶瓷層磨損痕跡不明顯。在磨損試驗初期階段，因外層疏松層較為粗糙，其硬度相對較低，易受外在因素影響，出現(xiàn)磨損問題，導(dǎo)致該階段磨損失重量呈持續(xù)下降趨勢。在試驗時間經(jīng)過15 h 后，受潤滑油作用影響，導(dǎo)致微弧氧化陶瓷層在磨損后很難出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。

圖2 相對失重量隨摩擦?xí)r間的變化

3.4.2 載荷變化給微弧氧化陶瓷層摩擦系數(shù)和磨損率造成的影響

在分析微弧氧化膜在潤滑油因素影響下摩擦系統(tǒng)和載荷之間的變化情況，發(fā)現(xiàn)微弧氧化膜摩擦系數(shù)較小，僅有0.03～0.06。當(dāng)載荷提升到600 N 時，摩擦系數(shù)為0.028，摩擦系數(shù)隨著載荷提升呈上升趨勢，直到載荷數(shù)值達到1200 N 后，摩擦系數(shù)持續(xù)下降。研究人員將微弧氧化膜試樣放在1400 N 載荷條件下進行試驗，并添加適量潤滑油，試驗后發(fā)現(xiàn)氧化膜未出現(xiàn)膜脫落、裂紋等問題，表示微弧氧化膜具有較強耐磨性。同時，通過研究在潤滑基礎(chǔ)上不同載荷中微弧氧化膜磨損率，發(fā)現(xiàn)其磨損率為5.85～28.56 mg/（N·m），磨損率隨載荷增加呈先提升后下降趨勢，以1200 N峰值為轉(zhuǎn)折點，如圖3所示。另外，通過分析試驗結(jié)果，通過利用潤滑油作用，能有效改善微弧氧化膜的摩擦性能，加強微弧氧化膜層應(yīng)用效果，拓展其應(yīng)用范圍。

圖3 微弧氧化膜磨損率隨載荷的變化

3.4.3 電流密度對陶瓷層耐磨性能的影響

在磨損試驗初期，隨著磨損時間持續(xù)延長，不同電流密度制作的微弧氧化膜層的磨損量呈上升趨勢，并在20 h 后，不同電流密度制作的微弧氧化膜層磨損量基本相同，體現(xiàn)出較強的磨損穩(wěn)定性。同時，在磨損初期階段，小電流密度制作的微弧氧化陶瓷層磨損量超過大電流密度制作效果，如圖4所示。

圖4 不同電流密度的微弧氧化陶瓷層磨損曲線

在微弧氧化時，電流密度和微弧氧化反應(yīng)有直接關(guān)聯(lián)，會產(chǎn)生大量熔融物質(zhì)，向外四處飛濺，所以電流密度越大，微弧氧化陶瓷層表面越粗糙。雖然采用大電流制作的陶瓷層磨損初期具有較高磨損量，但在20 h 后，各電流密度的陶瓷層磨損量走向穩(wěn)定，向穩(wěn)定磨損期方向發(fā)展。因此，在確保膜層硬度、厚度滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提前下，要合理控制電流密度，才能保證微弧氧化陶瓷層磨損量能達到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.4 電源輸出頻率對陶瓷層耐磨性能的影響

分析采用不同頻率制作的微弧氧化陶瓷層磨損特征，發(fā)現(xiàn)不同頻率條件下制作的微弧養(yǎng)護陶瓷層磨損量存在較強差異性，其中500 Hz 制作的陶瓷層磨損量較低，并在疏松層磨損后，磨損量變化幅度較小；50 Hz 制作的陶瓷層磨損量最高，并在前20 h 磨損量提升速度較快，呈現(xiàn)直線上升趨勢，在30 h 后磨損量趨于穩(wěn)定；1 000 Hz 制作的陶瓷層磨損量和時間呈正比，按照線性比例增加。同時，當(dāng)溶液參數(shù)、電源數(shù)據(jù)基本不變時，如果電源頻率較高，表示單個脈沖釋放能量較低，作用時間過短，縮短微弧氧化反應(yīng)時間，會嚴重阻礙陶瓷層正常生長，降低a-Al2O3轉(zhuǎn)化的穩(wěn)定性。而頻率低于標(biāo)準(zhǔn)值時，說明單個脈沖釋放能量較高，作用時間較長，會產(chǎn)生強烈的微弧氧化反應(yīng)，從粗糙的陶瓷層表面，無形中增加磨損初期的磨損量。因此，工作人員要在確保膜層硬度和厚度滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，選擇對應(yīng)的頻率，合理控制膜層粗糙度，加強膜層的耐磨性能。

4 結(jié)束語

鑄造鋁合金微弧氧化形膜工藝是通過在鋁合金表面施加高電壓，在電弧放電作用下，利用陽極溶解、氧氣析出等反應(yīng)形成氧化膜。通過微弧氧化形成的氧化膜具有較高的硬度，這種高硬度保證氧化膜在受力時不易受損。同時，氧化膜表面形成一層致密的陶瓷狀結(jié)構(gòu)，可在摩擦和劃傷條件下表現(xiàn)出較好的抗磨損性能。通過該工藝形成的氧化膜可在提高鋁合金表面性能方面發(fā)揮重要作用。隨著相關(guān)科研的不斷深入和工藝的不斷改進，鑄造鋁合金微弧氧化形膜工藝在未來有望得到更廣泛的應(yīng)用。