ZL109鋁合金微弧氧化機理及制備工藝研究

關(guān)長輝

【摘 要】ZL109鑄造鋁合金具有輕量化、慣性小和比強度高等優(yōu)點，但表面硬度低、強度差、耐磨性差、易腐蝕等缺點限制了其在高速復雜工況下的應(yīng)用。微弧氧化反應(yīng)可以在鋁合金表面生成一層陶瓷膜，該膜層具有硬度較高和耐磨損、耐腐蝕性能較好等特點。部分職業(yè)院校開設(shè)微弧氧化相關(guān)實驗課程，課程中最常用到的實驗材料是ZL109鋁合金。文章重點研究微弧氧化陶瓷層特點、陶瓷層成膜機理及影響因素、制備陶瓷層的設(shè)備及其功能、制備工藝流程及其規(guī)范，以期達到規(guī)范ZL109鋁合金微弧氧化制備工藝的目的。

【關(guān)鍵詞】ZL109;微弧氧化;陶瓷層;制備工藝

【中圖分類號】TG174 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）11-0064-03

0 緒論

隨著國家對職業(yè)院校的扶持力度增大，高職院校的科研能力逐漸增強，微弧氧化實驗也逐漸進入一些職業(yè)院校的實驗課堂。本文旨在通過對微弧氧化陶瓷層特點、成膜機理及影響因素、制備設(shè)備及其功能、制備工藝流程及其規(guī)范進行研究，最終達到規(guī)范ZL109鋁合金微弧氧化制備工藝流程的目的。

1 微弧氧化簡介

ZL109鑄造鋁合金具有輕量化、慣性小和比強度高等優(yōu)點，但表面硬度低、強度差、耐磨性差、易腐蝕等缺點限制了其在高速復雜工況下的應(yīng)用。微弧氧化反應(yīng)可以在鋁合金表面生成一層陶瓷膜，該膜層具有硬度較高和耐磨損、耐腐蝕性能較好等特點。經(jīng)過微弧氧化處理的ZL109鑄造鋁合金材料具備基體輕量化和表面性能優(yōu)良的特點，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、汽車、軍工領(lǐng)域[1]。

1.1 微弧氧化優(yōu)點

微弧氧化陶瓷層具備很多優(yōu)點，相較于傳統(tǒng)表面處理工藝，微弧氧化處理工藝同樣具備很多優(yōu)點。？譹？訛微弧氧化反應(yīng)對環(huán)境污染小;？譺？訛微弧氧化反應(yīng)過程能耗較低;？譻？訛陶瓷層在基體原位生長，與基體冶金結(jié)合，不易脫落，抗熱沖擊性能強;？譼？訛改變實驗條件、反應(yīng)時間、電解液成分可以控制陶瓷層厚度和性能;？譽？訛陶瓷層耐腐蝕性能強;？譾？訛陶瓷層表面硬度高、耐磨性好;？譿？訛陶瓷層形成過程不受試件形狀影響[2]。

微弧氧化陶瓷層性能對應(yīng)應(yīng)用場景見表1。

1.2 微弧氧化陶瓷膜成膜機理

微弧氧化工藝只能在“閥金屬”及其合金上使用。“閥金屬”是指在自然狀態(tài)或點解液環(huán)境中能夠在表面自然形成一層絕緣性很強的“氧化膜”的金屬。微弧氧化技術(shù)就是利用“閥金屬”的這個特點，將“閥金屬”浸入電解液中，分別在“閥金屬”和電解液中通入高壓直流電的正負極，利用高壓電擊穿氧化膜的過程中產(chǎn)生的“等離子放電”現(xiàn)象，使等離子放電通道中的“閥金屬”熔化，熔融狀態(tài)的“閥金屬”從等離子放電通道中噴出，遇到溫度較低的電解液，形成“激冷現(xiàn)象”，進而凝固、沉積在等離子放電通道附近。微弧氧化陶瓷過程是電化學作用與物理放電作用的共同作用的結(jié)果。把陽極氧化的電壓范圍從法拉第區(qū)提升到火花放電區(qū)是微弧氧化反應(yīng)的主要技術(shù)特點，這一技術(shù)特點可以使微弧氧化陶瓷膜層獲得硬度高、耐磨性好、絕緣性好的特點[3]。

陶瓷層成膜機理主要分為以下3個過程。

（1）初始無定形氧化膜的形成。實驗初期，試件在電解液中陽極表面處的氧化膜同時進行著生長和溶解的過程，然后使用適宜的工藝過程使得微弧氧化膜層的生長速度大于其溶解速度，并使之達到某種平衡，使得微弧氧化陶瓷膜層不斷地生長。

（2）氧化膜擊穿放電。20世紀70年代初，有科學家闡述了火花放電現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因，火花放電現(xiàn)象發(fā)生的同時進行著劇烈的析氧。電子的大量溢出引起了氧化膜的擊穿現(xiàn)象。

（3）無定形氧化膜的晶化過程。氧化膜被擊穿的同時伴隨著等離子放電，這個過程會產(chǎn)生瞬時高溫，溫度可達3 000 ℃。在此過程中，無定形氧化物晶化成為γ-AL2O3或α-AL2O3晶粒。

1.3 微弧氧化工藝影響因素

影響陶瓷膜層的因素主要有以下幾點。

（1）電壓。電壓影響膜層的組成成分、膜層的生長速率及膜層的粗糙度等。微弧氧化過程中設(shè)備提供給實驗的電壓不是一成不變的，而是逐漸升高的，直到升高到某一值，被稱為最終電壓。這個最終的電壓值直接影響膜層的厚度，在一定的范圍內(nèi)膜層的厚度與最終電壓呈正相關(guān)關(guān)系，通常情況下微弧氧化反應(yīng)過程中最高電壓在500 V左右，個別的特殊的處理工藝電壓最高可以達到600 V，電壓如果過大會對膜層產(chǎn)生破壞作用，破壞由弧光放電造成。起弧電壓與很多因素相關(guān)，例如電解液的組成成分、金屬類型、金屬狀態(tài)等。

（2）電流。電流密度影響微弧氧化陶瓷膜層的性能，例如微弧氧化陶瓷層的生長速率和致密度等，同時會對其微觀結(jié)構(gòu)性能和相的成分產(chǎn)生影響。電流密度還影響膜層表面的粗糙度，電流密度越小，粗糙度越低。

（3）反應(yīng)時間。目前的研究發(fā)現(xiàn)不同的電解液體系下有著相似的變化規(guī)律，在一定時間范圍內(nèi)，膜層的厚度與微弧氧化時間呈正相關(guān)，其原因是微弧氧化反應(yīng)進行的過程中膜層的生成與溶解是同時進行的，當反應(yīng)進行到一定的程度時，膜層的生成速率小于其溶解速率，所以膜層厚度會開始減小[4]。

（4）電解液特性。電解液成分組成及其配比對微弧氧化陶瓷層性能有著很大影響，按照電解液各組分的作用，將其分為導電劑、鈍化劑、穩(wěn)定劑和改良劑。

2 實驗器材及設(shè)備

2.1 實驗材料

試樣材料為ZL109，將其切割成40 mm×10 mm×10 mm的長方體試樣，除油、清洗后進行打磨，將表面打磨平整，在經(jīng)過打磨的表面鉆孔、攻絲，用鋁線連接、固定試件，實驗過程中，連接試件的鋁線與電源陽極相連接，不銹鋼槽與陰極相連接，這樣就在試件和電解液間形成電勢差。

2.2 實驗設(shè)備介紹

實驗設(shè)備如圖1所示。

（1）微弧氧化設(shè)備。實驗核心設(shè)備是雙極性脈沖微弧氧化電源，電源額定容量一般不小于20 kW，設(shè)備額定輸入為380 V/ 50 Hz的交流三相電，設(shè)備額定輸出正向直流電流范圍為0～30 A，正向電壓范圍為0～750 V，輸出負向直流電流為0～30 A，負向電壓范圍為0～750 V，輸出頻率為50～2 000 Hz[5]。

（2）金相試樣切割機。金相試樣切割機可以切割較硬的金屬材料，其切割砂輪片厚度較小，切割過程中轉(zhuǎn)速較高，可以通過冷卻控制切割溫度，避免高溫對試件組織產(chǎn)生影響。

（3）金相試樣鑲嵌機。金相試樣鑲嵌機通過加熱將熱因性塑料對試樣進行鑲嵌。

（4）金相試樣預磨機。金相試樣預磨機的作用是對金屬試件進行拋光，拋光磨料采用的是抗水砂紙，砂紙的粗糙度可以根據(jù)實驗需求進行選擇。

（5）金相試樣拋光機。拋光機是對經(jīng)過預膜機打磨后的試件進行進一步磨削拋光，拋光磨料采用織物。設(shè)備啟動后采用手動施壓進行拋光。

（6）金相顯微鏡。金相顯微鏡運用計算機技術(shù)將光學顯微鏡中的視圖顯示在計算機屏幕上，方便存儲。

（7）顯微硬度計。顯微硬度計的測量范圍為5～3 000 HV。

（8）掃描電鏡。掃描電鏡的放大倍數(shù)范圍可以達到12～

2 000 000倍，分辨率為0.8 nm@15 kV和1.6 nm@1 kV。

3 微弧氧化工藝說明

3.1 實驗前處理

首先除油，然后用去離子水沖洗，最后進入實驗環(huán)節(jié)。試驗后，用等離子水洗凈、吹干、編號、保存。除油液配制方法：根據(jù)電解槽的容積計算所需的藥品量，在槽內(nèi)先注入欲配溶液體積的3/4的純水，然后將藥品邊攪拌邊緩慢地加入，最后補充純水至所需體積，用壓縮空氣攪拌均勻。

3.2 配置電解液

（1）基礎(chǔ)配方。本次實驗的研究方向為復合電解液體系對鑄造鋁合金微弧氧化陶瓷層性能的影響，所以配制的溶液差異為主成膜劑的不同，其余成分及參數(shù)保持一致，做單一變量實驗，便于參照對比得出結(jié)論，將其余成分及參數(shù)稱之為基礎(chǔ)配方。

配制溶液采用導電率不大于15μs的去離子水，基礎(chǔ)溶液中添加EDTA濃度為2 g/L，添加鎢酸鈉濃度為5 g/L，添加氫氧化鉀濃度為2.5 g/L，實驗過程中的電參數(shù)不同組之間也都相同，工作方式均為恒壓模式，其中正向電壓為420 V，負向電壓為120 V，工作頻率為500 Hz，正占空比為20%，負占空比為20%，正向脈沖數(shù)為1，負向脈沖數(shù)為1，工作時間為1 h，微弧氧化期間水溫控制在13 ℃左右。

（2）配制方法。配制溶液用的藥品為試劑級藥品。根據(jù)電解槽的容積計算所需的藥品量，在槽內(nèi)先注入欲配電解液體積的3/4的蒸餾水或去離子水，然后將藥品邊攪拌邊緩慢地加入，最后補充蒸餾水至所需體積，用壓縮空氣攪拌均勻后開始實驗。

微弧氧化后的試樣要清洗干凈，去除微弧氧化陶瓷膜上的電解液殘留，避免電解液對微弧氧化陶瓷膜的腐蝕，也避免為后續(xù)的觀察測量帶來麻煩，殘留的電解液水分揮發(fā)后剩余的電解質(zhì)會對粗糙度產(chǎn)生影響。清洗的辦法為在常溫條件下，使用導電率不大于20μs的去離子水進行浸洗操作，使用壓縮空氣攪拌5 min后取出，之后檢查表面是否清洗干凈。

3.3 試驗后處理

實驗后處理流程如圖2所示。

4 實驗注意事項

（1）注意個人防護，由于實驗用電源可以產(chǎn)生數(shù)百伏的高壓電，因此實驗人員必須做好絕緣保護，戴好絕緣手套，穿著具備絕緣功能的工作鞋，實驗室地面也要做絕緣處理;此外，為防止電解液對人體造成傷害，應(yīng)佩戴口罩和護目鏡。

（2）控制實驗溫度，由于反應(yīng)過程中會產(chǎn)生上千度的高溫，所以要對電解液進行持續(xù)冷卻處理。

（3）規(guī)范實驗流程，嚴格按照本文指示進行試件的預處理，調(diào)制配方，按照流程進行后處理。

（4）注意測量數(shù)據(jù)和試樣分類保存，便于后期提取。

（5）實驗過程中如果得到理想膜層狀態(tài)，應(yīng)該在相同實驗條件下至少重復3次實驗，如果膜層狀態(tài)變化不大，說明在該實驗條件下得到的實驗結(jié)果穩(wěn)定。

參 考 文 獻

[1]薛文彬，鄧志威，來永春，等.鋁合金微弧氧化陶瓷膜的形成過程及其特性[J].電鍍與精飾，1996（5）：3-6.

[2]馬春生，程東，劉澤澤，等.ZL109鋁合金微弧氧化耐磨陶瓷層的工藝優(yōu)化[J].材料熱處理學報，2017，38（7）：160-166.

[3]劉榮明.鋁合金微弧氧化工藝研究與機理分析[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學，2007.

[4]李紅霞，宋仁國，趙堅，等.微弧氧化時間對鋁合金陶瓷涂層結(jié)構(gòu)和耐磨性的影響[J].材料保護，2008，41（12）：65-67，91.

[5]趙拯.微弧氧化技術(shù)實驗設(shè)備的研制及其反應(yīng)機理研究[D].北京：清華大學，2015.