電解液中添加La(NO3)3·6H2O及Na5P3O10對ZAlSi12表面微弧氧化層特性的影響

國春艷

（包頭鐵道職業技術學院，內蒙古 包頭 014030）

微弧氧化技術是近年來發展起來的表面改性技術，可在鋁鎂鈦等金屬表面原位生成具有一定厚度和硬度的陶瓷層，由于鋁合金微弧氧化陶瓷層主要由α-Al2O3和γ-Al2O3等晶態相和部分非晶相組成，所以具有十分良好的耐磨性和防腐蝕性能，且工藝操作簡單、效率高、無污染、處理工件能力強，因此，微弧氧化技術逐漸成為鋁及鋁合金材料進行表面處理較為理想的技術，具有廣闊的應用前景[1，4]。本文開展對ZLSi12合金的微弧氧化研究，電解液的組成對鋁合金微弧氧化陶瓷膜生長及特性有很大的影響，因此，本文研究了在Na2SiO3-NaOH基礎電解液體系下，向電解液中添加La(NO3)3·6H2O及Na5P3O10添加劑，探究添加劑對微弧氧化過程及氧化膜特性的影響。

1 試驗方法

實驗材料為40mm×20mm×5mm的ZLSi12試件，實驗所采用的基礎電解液為8.0g/LNa2SiO3+2.0g/LNaOH+2.0g/LEDTA，加入的La(NO3)3的濃度分別為0.00g/L，0.20g/L，在加入0.20g/L的La(NO3)3基礎上添加0.5g/L的Na5P3O10，試樣分別基座1#、2#、3#，試驗采用WHD-30型的多功能微弧氧化設備對試樣進行微弧氧化處理，試樣作為陽極浸在電解液中，不銹鋼電解槽作為陰極，實驗采用恒壓法，正負向工作電壓分別為420V和120V，處理時間為20min，采用HCC-25型電渦流測厚儀測試膜層厚度，用QUANTA-400型掃描電鏡對氧化層的表面進行觀察，用APD-10型全自動粉末衍射儀進行氧化層的相組成分析（Cu靶，電流35mA，電壓40kv，步進掃描0.02°）

2 試驗結果與分析

2.1 氧化膜厚度

分別測試試樣1#、2#、3#微弧氧化后所得的氧化膜的厚度，其厚度值分別為103μm、146μm、173μm，可知電解液中加入添加劑后，氧化膜厚度得到提高，厚度的變化反映了氧化過程中成膜速率的變化，分析認為電解液中加入La(NO3)3·6H2O后，提高了電解液中各原子、分子、離子、等離子體的電離速率，促進氧化過程的進行，從實驗現象中可以觀察到La(NO3)3·6H2O的加入，所需的起弧電壓降低，所需的起弧時間逐漸縮短，且從氧化現象中發現，試樣表面的白色火花密度增大，微區弧光放電時間延長。這會有利于電解液中離子導入多孔的氧化膜層中參與微弧氧化過程，在電解槽中，通過復雜的化學反應，改變了氧化陶瓷膜表面的離子密度和種類，這種變化有利于微弧放電過程的發生。

2.2 陶瓷層微觀組織形貌

各試樣微弧氧化后的微觀組織形貌分別見圖1（a～c），從圖a中可以看出1#試樣微弧氧化后表面粗糙不平，形成的陶瓷顆粒尺寸較大，約為十幾微米，顆粒上殘留許多放電小孔，認為放電時火花持續時間較短，且在試樣表面不停的游動，在試樣同一位置連續放電時，會在先生成的氧化物顆粒表面殘留下類似火山口的小孔。從圖1（b）中可以看出電解液中加入La(NO3)3·6H2O后，氧化膜較致密，結構連續，孔洞和裂紋很少，分析認為電解液中加入La(NO3)3·6H2O后有利于電解液中離子進入多孔的氧化膜層中參與氧化過程，提高了氧化陶瓷膜表面的離子密度，從而使等離子體微弧氧化反應程度劇烈并能降低陶瓷膜中的孔洞密度。圖1（c）為3#試樣微弧氧化后的膜層微觀組織形貌，從圖中可以看出在La(NO3)3·6H2O和Na5P3O10的共同作用下，所獲得的氧化膜致密，孔洞直徑減小、顆粒細小，陶瓷膜更加平滑致密，粗糙度下降。

2.3 陶瓷層相組成

圖2所示為不同條件下形成的試樣表面微弧氧化層的XRD譜。

從圖中可以看出膜層主要組成相為α-Al2O3、γ-Al2O3、莫來石等，莫來石是Al2O3-SiO2二元系中常壓下唯一穩定存在的二元化合物，化學式Al2O3-2SiO2，具有膨脹均勻、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學腐蝕性好等特點，對比三圖可知，電解液中加入La(NO3)3·6H2O和Na5P3O10添加劑后，膜層中的α-Al2O3和γ-Al2O3相的相對含量增多，這是因為加入La(NO3)3·6H2O后，基體合金元素與電解液中離子的交換速率增大，相互反應生成熔融氧化物的幾率增加，而陶瓷膜中α-Al2O3和γ-Al2O3相主要由微弧區熔融Al2O3急冷凝固形成，分析認為膜層內部應殘留部分過渡態氧化鋁如δ-Al2O3、θ-Al2O3和η-Al2O3，其為γ-Al2O3向α-Al2O3轉變時的中間亞穩氧化鋁相，這些中間相往往伴隨有高度多孔狀顯微結構的組成，但XRD檢測時未發現過渡相，說明其含量較少。

3 結論

（1）電解液中加入La(NO3)3·6H2O后，膜層厚度增加，且膜層的致密性得到改善，表面顆粒細小孔洞減少，能譜分析中檢測到膜層中有La元素的存在，說明其參與了氧化反應過程。

圖1 試樣表面微弧氧化層表面的SEM像

圖2 微弧氧化層的XRD譜

（2）在添加La(NO3)3·6H2O的基礎上加入Na5P3O10·6H2O后，膜層厚度進一步增大，且膜層中α-Al2O3相的相對含量增加，說明加入Na5P3O10·6H2O可以提高La(NO3)3·6H2O作用效率。

（3）在電解液中添加一定量的La(NO3)3·6H2O及Na5P3O10·6H2O可以提高電解液的電導率，提高膜層厚度，改善膜層表觀質量及微觀結構，進而達到改善膜層的性能的目的。