鋁-錳合金鍍層的微弧氧化研究

孟祥躍, 孫淑萍

（燕山大學環境與化學工程學院,河北秦皇島 066004）

鋁-錳合金鍍層的微弧氧化研究

孟祥躍, 孫淑萍

（燕山大學環境與化學工程學院,河北秦皇島 066004）

在鋼鐵基體上采用熔鹽電鍍的方法獲得鋁-錳合金鍍層,對鍍層進行微弧氧化后制得鋁-錳陶瓷膜。研究了不同質量濃度的硅酸鈉電解液對鋁-錳陶瓷膜厚度和硬度的影響;測定了相應質量濃度下的塔菲爾極化曲線,以此評價鋁-錳陶瓷膜的耐蝕性;通過掃描電鏡觀察鋁-錳陶瓷膜的微觀形貌。

鋁-錳陶瓷膜;鋁-錳合金鍍層;微弧氧化;硅酸鈉

0 前言

鋼材具有較高的強度和優良的機械加工性,在工農業生產中得到廣泛的應用,但鋼材極易腐蝕,造成巨大的損失。微弧氧化又稱為等離子體氧化或陽極火花沉積,是近年來由陽極氧化發展而來的一種新的表面處理技術。它突破了傳統陽極氧化工藝對工作電壓的限制,將工作電壓引到高壓放電區,在工件表面產生等離子微弧放電,產生微區局部高溫,從而產生高溫燒結作用,在A1,Mg,Ti等金屬表面原位生長性能各異的陶瓷膜[1-3]。與傳統陽極氧化相比,微弧氧化陶瓷膜與基體結合牢固,結構致密,具有良好的耐磨、耐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等性能,其工藝對環境無污染[4-6]。利用微弧氧化技術在鋼鐵基體上制作鋁合金的陶瓷膜是一種新型、具有功能性的防護技術,還有待進一步的研究和發展。

1 實驗

采用SMD-30型數控雙脈沖電鍍電源,以A3鋼片為基體,在AlCl3-NaCl-KCl體系中進行熔鹽電鍍,獲得了鋁-錳非晶鍍層。電鍍時,脈沖頻率為1 000 Hz,正向占空比為 20%,反向占空比為10%,電鍍時間15 min。

采用MAO-5 000型脈沖氧化實驗電源進行微弧氧化,用Ф2.5 mm的鋁絲為電極引線,以不銹鋼槽為陰極,氧化過程中采用循環水冷卻。

采用CHI 704C型電化學工作站,在質量分數為3.5%的NaCl溶液中測定鋁-錳陶瓷膜的電化學極化曲線,掃描速率為0.01 V/s,起始掃描電位為自腐蝕電位以上200 mV,終止電位為自腐蝕電位以下200 mV。

采用 HCC-24型涂層測厚儀測定陶瓷膜的厚度,每個樣品測10個點,取平均值。采用 HX-500型顯微硬度計測定陶瓷膜的硬度,載荷為1.96 N,加載時間為15 s,每個樣品測5個點,取平均值。用KYKY-2 800型掃描電鏡觀察陶瓷膜的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 微弧氧化陶瓷膜的表面形貌

本實驗采用Na2SiO3為微弧氧化電解液,制得的鋁-錳陶瓷膜呈亞光狀態,表面均勻、致密,具有優良的裝飾性能。圖 1是 Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,放大500倍和2 000倍時的陶瓷膜表面形貌。從圖1（a）中可以看出:鋁-錳陶瓷膜表面平坦、致密,有很多微小的燒結狀微粒;從圖1（b）中可以看到明顯的小孔,這是微弧氧化過程中形成的放電通道。由于鋁-錳合金鍍層是非晶態原位生長的,與建材型鋁合金或熱浸鍍鋁合金涂層經微弧氧化制得的陶瓷層的表面形貌相比,鋁-錳陶瓷膜的燒結微粒均勻、細小,表面較平坦,“小火山錐”中心處的放電通道孔小而密集。

圖1 鋁-錳合金鍍層微弧氧化陶瓷膜的表面形貌

2.2 電化學極化曲線的分析

圖2是Na2SiO3的質量濃度不同的條件下制得的鋁-錳陶瓷膜,在質量分數為3.5%的NaCl溶液中測得的 Tafel極化曲線。表1是 Tafel極化曲線的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位。

圖2 鋁-錳陶瓷膜的 Tafel極化曲線

表1 Tafel極化曲線的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位

從圖2和表1可見:Na2SiO3的質量濃度為8 g/L和14 g/L時,自腐蝕電流密度比較接近,分別為1.289μA/cm2和 1.273μA/cm2,自腐蝕速率小;從自腐蝕電位的角度考慮,Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,鋁-錳陶瓷膜自腐蝕電位為-0.370 V,遠高于Na2SiO3的質量濃度為14 g/L時的自腐蝕電位-0.681 V,說明Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,自腐蝕程度最低。

2.3 膜厚和硬度的分析

圖3是Na2SiO3的質量濃度不同的條件下制得鋁-錳陶瓷膜的厚度的變化曲線。

圖3 Na2SiO3的質量濃度與鋁-錳陶瓷膜厚度的關系

從圖3中可以看出:當Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,鋁-錳陶瓷膜的厚度為3.5μm,大于其他條件下制得的鋁-錳陶瓷膜的厚度。說明當Na2SiO3的質量質濃度為8 g/L時,有利于陶瓷膜的生長,陶瓷膜的厚度也達到了最大值;隨著Na2SiO3的質量濃度的增加,膜厚有所減小。原因是隨著Na2SiO3的質量濃度的增加,大量的 SiO2-3聚集在陽極/電解液界面處,加劇了電子通過的阻礙,使擊穿電壓升高,延緩了膜層的生長[7];當Na2SiO3的質量濃度為6 g/L時,厚度為2.1μm,為本實驗中測得的最小值,說明電解液中SiO2-3的質量濃度較小時,同樣不利于成膜。因此,Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,成膜速率最快。

圖4是Na2SiO3的質量濃度不同的條件下制得鋁-錳陶瓷膜的硬度的變化曲線。

圖4 Na2SiO3的質量濃度與鋁-錳陶瓷膜硬度的關系

從圖4中可以看出:隨Na2SiO3的質量濃度的增加,鋁-錳陶瓷膜的硬度增大。當Na2SiO3的質量濃度增大到 8 g/L時,硬度達到最大值,為4 374.3 MPa,說明此時膜層厚且致密;當Na2SiO3的質量濃度繼續增加時,硬度有所下降,可能是由于Na2SiO3的質量濃度較大使生成的鋁-錳陶瓷膜疏松[8],硬度下降。

3 結論

（1）鋁-錳合金鍍層能夠在Na2SiO3電解液中形成均勻、致密的鋁-錳微弧氧化陶瓷膜。膜層在宏觀上呈亞光狀態,微觀形貌上可以看到無數微小放電通道,表面燒結物微粒細小。

（2）通過 Tafel極化曲線可知:當Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,制得的膜層自腐蝕電流密度為1.289μA/cm2,自腐蝕速率較小;自腐蝕電位較高,為-0.370 V,自腐蝕程度較低。

（3）當Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,鋁-錳陶瓷膜厚度達到最大值,為3.5μm;硬度也達到最大值,為4 374.3 MPa。這說明:當Na2SiO3的質量濃度為8 g/L時,有利于鋁-錳陶瓷膜的生長,制得的陶瓷膜性能較佳。

[1] Li H X,Rudnev V S,Zheng X H,et al.Characterization of Al2O3ceramic coatings on 6063 aluminum alloy prepared in borate electrolytes by micro-arc oxidation[J].Journal of Alloys and Compounds,2008,462（1）:99-102.

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[4] 張欣宇,方明,呂江川,等.電解液參數對鋁合金微弧氧化的影響[J].材料保護,2002,35（8）:39-41.

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A Research on Micro-arc Oxidation of Al-Mn Alloy Coating

MENG Xiang-yue, SUN Shu-ping
（Environment and Chemical Engineering College,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China）

The aluminum-manganese alloy was plated on steel surface by molten salt plating,and then thus obtained deposit was turned into Al-Mn ceramic coating by micro-arc oxidation（MAO）.The effects of silicate electrolyte with different mass concentrations on the thickness and hardness of Al-Mn ceramic coating were investigated;the polarization curves（Tafel）at corresponding mass concentrations of silicate electrolyte were tested in order to analyze the corrosion resistance of the Al-Mn ceramic coating;and the micro-morphology of Al-Mn ceramic coating was analyzed by SEM.

Al-Mn ceramic coating;Al-Mn alloy coating;micro-arc oxidation;sodium silicate

TG 174.451

A

1000-4742（2010）01-0022-03

2009-07-27