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、結構組成、顯微硬度和摩擦系數等進行了研究。結果表明，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電導熱等性能，且易于機械加工和回收，是結構材料中最輕的金屬，密度為1.8 g/cm3左右，大約是鋁的2/3，是鐵的1/4，廣泛應用于航空航天、器械、汽車等領域中的結構部件的制造，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]，導致鎂合金的耐磨性能較差，抑制了其在工程中的應用空間，因此，改善鎂合金的耐磨性能以來推廣鎂合金應用，是鎂合金所面臨的亟待解決的問題。

微弧氧化技術是在傳統陽極氧化基礎發展而來的一種新型表面處理技術，是將陽極氧化區域從法拉第區引入到高壓放電區，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，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；反應過程中，等離子放電通道內溫度高達2 000~8 000 ℃（電解液環境溫度為室溫）、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異的耐磨耐蝕和電絕緣等性能[6-7]；此外，微弧氧化技術成本低，可大面積實施表面處理，且對環境污染小。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 試驗設備與電解液

試驗設備為50kW微弧氧化交流脈沖電源，電壓0~700 V可調，電流0~25A可調；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；電參數設定為：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，轉度180 r/min，摩擦半徑15 mm，摩擦副為直徑15 mm GCr15鋼球，摩擦時間為300 s。

（2）利用數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

在微弧氧化反應過程中，基體表面會出現大量游走的微小電火花，即微等離子體放電現象，在放電通道內的高溫高壓下，基體表面被燒結熔融形成氧化物，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堆積在基體表面，形成火山狀結構表面，進而導致微弧氧化陶瓷膜呈現多孔結構，說明基體表面在微弧氧化反應過程中經歷了熔融、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，但微孔數量隨之降低，膜層的致密性增加；當電流密度達到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增加，較大的微孔數量增多，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變以及冷的電解液環境下，產生大量的殘余熱應力，導致膜層表面裂紋產生，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驅動力增大，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結果相一致，不利于提高膜層耐磨性。

鑒于此結果，大電流密度可有效提高膜層的成膜效率和晶型轉變，但是其卻容易引起膜層表面粗糙度的增加，放電通道內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。當到達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境下的摩擦系數曲線。從圖中可以看出，鎂合金經過微弧氧化處理后，膜層的摩擦性能優于基體，且曲線你也出現劇烈的起伏，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為0.54，隨著電流密度的增大，平均摩擦系數依次為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，因而膜層摩擦系數較大；相比較下電流密度為12A/dm2時，摩擦曲線較為穩定且摩擦系數較小，這是由于微弧氧化膜層從內向外，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。

根據經典的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和硬度有關，即：

V∝K/H

其中：——體積磨損率；

——摩擦系數；

——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。結果表明，膜層主要有立方結構的MgO相和Mg組成，該MgO立方相是由于放電通道內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，立方結構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，表面P元素以非晶態存在，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。

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果

3 結 論

（1）與鎂合金基體相比，微弧氧化技術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，主要由立方結構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年畢業于沈陽化工大學高分子材料與物理專業，研究方向：高分子材料。

TM 344.1

A

1004-0935（2017）01-0023-04