铝合金微弧氧化表面陶瓷膜的制备

C KOH/ (g・ L - 1)
空缺
1 2 3 3 1 2 2 3 1
厚度/ μm
39. 6 40. 6 31. 6 38. 6 32. 6 33. 2 33. 4 35. 8 33. 0
但两个相比较 , K OH 取 1 最好 。
(2) H3BO3 的浓度对各指标的影响 对于厚度 H3BO3 的
配方为 : 硼酸含量 10 g/ L ,钨酸钠含量 2 g/ L ,氢氧化钾含量 2
g/ L 。 (2) 从 XRD 和 SEM 的表征看出 , 采用此配方可在铝合
金表面成功制备出陶瓷层 。
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[
参
考
文
献
]
射线衍射图谱 。从图中可知 , 涂层中含有锐钛矿 TiO2 纳米 相和α 2 Fe 相 ,而不存在金红石型 TiO2 的峰值 。存在α 2 Fe 是
述 [J ] . 金属热处理 ,2000 (1) :1～3.
[ 3 ] Yerokhin A L , Nie X , Leyland A , et al . Plasma electrolysis for sur2 face engineering[J ] . Surface and Coatings Technology ,1999 (122) : 73～93. [ 4 ] Dittrich K H , Krysmann W , Kurze P , et al . Structure and properties of ANOF layers[J ] . Crystal Res & Technol , 1984 (19) :93～99.
[ 关键词 ] 正交设计 ; 铝合金 ; 微弧氧化 ; 陶瓷层 [ 中图分类号 ] TG 174. 453 [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] 1001 1560 (2004) 02 0019 03
0 前 言
微弧氧化技术 [1 ,2 ] 是在阳极氧化技术的基础上发展起 来的铝合金表面改性技术 ,它使电化学生成的氧化膜经过微 等离子体的高温高压 [2 ,3 ] 作用发生相结构的变化 , 生成含一 定α相和γ相的氧化膜 。与传统的阳极氧化工艺相比 ,微弧 氧化陶瓷膜与基体结合牢固 、 结构致密 ,具有良好的耐磨性 、 耐腐蚀性 、 耐高温冲击和电绝缘性能 [4 ,5 ] , 其工艺对环境无 污染 ,因而具有广阔的应用前景 。 在微弧氧化过程中 ,电解液至关重要 。目前研究较多的 是以硅酸钠为体系
的极差最小 ,取 1 最好 ; 对于硬度 Na2 WO4 的极差也最小 , 取
1 好 。综合考虑 ,Na2 WO4 取 1 最好 。
通过各因素对各指标影响的综合分析 ,得出较好的试验 方案为硼酸含量 10 g/ L ,钨酸钠含量 2 g/ L ,氢氧化钾含量 2
g/ L 。
2. 4 陶瓷层的表征
铝 合 金 微 弧 氧 化 表 面 陶 瓷 膜 的 制 备 验计划及结果的计算分析见表 2 。 表1 因素水平表
因 素
1 2 3
C H BO /
3 3
2. 3 工艺条件的优化
硬度和厚度是检验陶瓷膜的两个重要指标 ,其结果见表
C KOH/ (g・ L - 1)
CNa
2
WO 4
/
(g・ L - 1) 15 10 5
瓷层的摩擦学性能 。试验参数为 : 试验载荷 36 N ,盘的转速
50 r/ min ,对磨件材料为高速钢 ,硬度 62 HRC 以上 ,采用失重
法测量磨损量 ,称量仪器使用精度为 0. 01 mg 的 L2 200 SM 分 析天平 。
1 试 验
1. 1 制备方法
首先对 LD30 铝合金试样用清洗液除油 , 水洗 。微弧氧 化装置见图 1 。其中电源为 K LMPA2 30A 多功能微弧氧化电 源 ,电解槽由不锈钢做成 ,兼作阴极 ,铝合金试样为阳极 。保 持电流的恒定 ,反应 60 min ,完成后取出试样 ,洗净 、 干燥 。
铝 合 金 微 弧 氧 化 表 面 陶 瓷 膜 的 制 备
2. 5 陶瓷层的耐磨性
在优化的电解液中制备的样品失重 - 时间曲线见图 5 。 当表面疏松层磨完后 ,样品的失重速率迅速减小 。将未经微 弧氧化处理的铝试样作为对比 ,在磨损机刚开启的时候 , 就 有大量的铝屑产生 ,以致于磨损试验无法继续进行 。
图5 陶瓷层的失重2 时间曲线
[ 5 ] 来永春 ,邓志威 ,宋红卫 ,等 . 耐磨性微弧氧化膜的特性 [J ] . 摩
擦学报 ,2000 ,20 (4) :304～306.
3 结 论
(1) 采用正交设计法优化了电解液配方 , 最佳的电解液
[ 6 ] Yerokhin A L , Voevodin A A , Lyubimov V V ,et al . Plasma elec2 trolytic fabrication of oxide ceramic surface layers for tribotechnical purposes on aluminium alloys[J ] . Surface and Coating Technology , 1998 (110) :140～146. [ 7 ] 陈 魁 . 应用概率统计 [M] . 北京 : 清华大学出版社 ,2000. [ 编辑 : 詹小玲 ]
2 结果与讨论
2. 1 试验方案的确定
根据微弧氧化陶瓷膜的生长情况 ,电流密度在 12. 4 A/
dm2 ,溶液温度不高于 60 ℃,反应时间为 60 min ,可得到较好
的试验结果 。 确定基本工艺参数后 ,电解液配方即电解液各组分含量 是微弧氧化的关键因素 。为了有效减少试验次数来判断较 优的配方组成 ,用正交表 [7 ] 安排试验计划来综合考察硼酸 、 钨酸钠 、 氢氧化钾三个因素 ( 其中第四因素空缺) 对整个反应 的影响 ( 见表 1) 。一般只要正交表中因素的个数比试验要 考察的因素的个数稍大或相等即可 ,这样既能保证达到试验 的目的 ,而试验的次数又不致于太多 ,故选用四因素三水平
图2 不同溶液下的槽压 - 时间曲线
从图中可以看出 ,9 个样品的曲线没有明显的差别 。在 开始阶段 ,槽压迅速升高 ,到达 500 V 以上时曲线变得平缓 , 进入微弧放电阶段 。样品表面跳动着许多的微弧点 ,不同的 溶液其电压值均不相同 。
图4 陶瓷层的形貌图
20
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L9 (34 ) 表进行试验 , 虽然只做了 9 个试验 , 但代表了全部试
1. 2 陶瓷膜性能表征及耐磨性的测试
采用 SWH2 08 涡流涂层测厚仪和 Л MT 2 3 型 ( HV) 显微 硬度计测定陶瓷层的厚度和硬度 ; 用 XR2 98X 射线衍射仪进 行物相分析 ; 用 SEM ( PHILIPS2 X L30E) 观测陶瓷膜的表面形 貌 。在自制的销盘式薄膜涂层磨损实验机测定了陶
[
参
考
文
献
]
[ 1 ] Wirtz G P , Brown S D , Kriven W M ,et al . Ceramic coatings by an2 odic spark deposition [ J ] . Materials & Manufacturing Processes , 1991 ,6 (1) :87～115. [ 2 ] 薛文斌 ,邓志威 , 来永春 , 等 . 有色金属表面微弧氧化技术评
极差 优方案
K1
硬 度
K2 K3
极差 优方案
注 : K1 ,K2 ,K3 分别表示水平 1 ,2 ,3 导致的结果之和的平均值。
2. 2 氧化过程的特点
按表 2 的试验计划 ,槽压2 时间曲线见图 2 。
图 4 是陶瓷层的扫描电镜显微图象 。从图中可以看出 , 微弧氧化陶瓷层的表面由有明显烧结熔融痕迹的主体膜和 不均匀分布的颗粒组成 ,颗粒直径 5 ～ 20 μ m , 并分布着许多 直径约 2～3 μ m 的圆形小孔 ,这些小孔为放电通道 。
2 1 3 1 3 2 3 2 1 112. 2 108. 6 97. 6 14. 6 1 3 915 3 895 3 941 46 3
极差次大 , 取 1 较好 ; 对于硬度 H3BO3 的极差最大 , 取 2 最 好 。综合考虑 ,H3BO3 选 2 最好 。
(3) Na2 WO4 的浓度对各指标的影响 对于厚度 Na2 WO4
铝合金微弧氧化表面陶瓷膜的制备
郑宏晔1 , 王永康1 , 李炳生2 , 韩高荣1 ( 1. 浙江大学材料系 ,浙江 杭州 310027 ; 2. 宁波市表面工程研究中心 , 浙江 宁波 315040)
[摘 要 ] 微弧氧化陶瓷膜具有良好的耐磨 、 耐腐蚀 、 耐高温冲击和电绝缘性能 ,研究了在铝合金表面用微弧氧化
方法沉积陶瓷层的工艺 。采用正交设计法优化了试验方案 ,运用综合平衡法对每个方案制备的陶瓷层的厚度和硬度进 行了分析 ,确定了各因素对陶瓷层影响的程度 ,并优化了电解液配方 ,确定了最佳工艺条件 。同时对最佳工艺制备的陶 瓷做了 XRD 、 SEM 和耐磨性测试 ,结果表明 ,最佳电解液配方为 : 硼酸 10 g/ L ,钨酸钠 2 g/ L ,氢氧化钾2 g/ L ,陶瓷层主要由 α 2 Al2O3 相组成 。 2 Al2O3 和γ
CNa
2
WO / 4
(g・ L - 1) 1 2 3 1 2 3 1 2 3 111. 6 109. 0 97. 8 13. 8 1 4 016 4 077 3 748 329 2
(g・ L - 1) 1 1 1 2 2 2 3 3 3 111. 8 104. 4 102. 2 9. 6 1 4 021 3 809 3 921 212 1
2 3 4
表2 试验计划及试验结果的计算分析表
样 号
1 2 3 4 5 6 71 最好 ; 对于硬度 K OH 的极差也最大 ,取 3 较好 ,
硬度/
HV1 N 1 302 1 463 1 256 1 236 1 297 1 276 1 388 1 317 1 216
[ 收稿日期 ] 2003 08 04 [ 基金项目 ] 教育部跨世纪人才培养计划项目 (J19990364)
验 [7 ] 。以陶瓷膜的厚度和硬度作为试验结果的考核指标 ,试
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(g・ L - 1) 2 3 4
空缺 — — —
2 。极差大的说明因素对指标的影响大 , 通过对表中数据的
分析可知 , K OH 的浓度对厚度影响最大 , 其次为 H3BO3 和
Na2 WO4 。H3BO3 的 浓 度 对 硬 度 影 响 最 大 , 其 次 为 K OH 和 Na2 WO4 ,从表 2 可以看出 : (1) K OH 的浓度对各指标的影响 对于厚度 K OH 的极
陶瓷层的 X 射线衍射曲线见图 3 。从图中可以看出 ,基 体铝的衍射峰仍然存在 ,陶瓷层的主要成分是α - Al2O3 和γ
- Al2O3 , 说明陶瓷层是在铝合金表面原位生成的 。同时在
— — — — — — — — — —
厚 度
K2 K3
曲线上还发现存在金属钨的衍射峰 ,而钨的来源只能是溶液 中的钨酸钠 ,说明在微弧氧化过程中 ,铝合金表面有复杂的 化学反应 ,还原出钨酸钠中的钨沉积在陶瓷层上 。
[6 ]
图1 微弧氧化装置图
1. 温度计 2. 试样 3. 搅拌器 4. 电解槽 5. 电源
的溶液 ,它们不够稳定 , 给应用带来一
定的影响 。通过配置新的 、 稳定的溶液体系可以解决这一问 题 。本研究通过正交分析法 [7 ] 优化稳定的 H3BO32 K OH 体系 的溶液 ,以 LD30 铝合金为基体 ,用微弧氧化技术在铝合金表 面原位制备出陶瓷膜 ,并确定了最佳制备工艺 。