铝合金高硬度膜制备实验研究

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摘 要 在硅酸盐体系下对2024铝合金进行微弧氧化反应，通过改变Na2SiO3·9H20与KOH的比例研究其对微弧氧化的起弧电压，薄膜的致密度，厚度耐磨性能的影响。结果表明：随着Na2Si03浓度升高，膜层厚度增加；KOH浓度的提高显著提高电解液的导电率及氧化膜层的质量，降低工作电压。通过本工艺制备薄膜硬度高，耐磨性好，得到了本实验条件下的最佳氧化电解液浓度配比。

关键词 铝合金；微弧氧化；硅酸盐体系；耐磨性

中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-038-02

1 绪论

铝合金材料具有密度小，比强度高，易成型加工等优点，在航空、航天，汽车、电子等多个领域有广泛的应用，但铝合金硬度低、耐磨性和耐蚀较差，所以通过相应的表面处理提高其使用性能具有重要意义。微弧氧化是直接在基体金属表面原位生长陶瓷层的新技术，所制备的陶瓷膜与机体结合牢固，致密度高，硬度高，很好的改善了耐磨性、耐蚀性，耐冲击性及电绝缘等性能，从而大大扩展铝合金的应用范围。电解液对微弧氧化膜的影响非常大，故本文着重研究了电解液成分和电参数对微弧氧化膜层硬度耐磨性的影响。

2 实验方法

2.1 试样材料

本实验选用2024铝合金为实验材料，对原材料片进行切削加工制成50 mm×20 mm×5 mm的试样。主要工序为：试样打磨除油清洗微弧氧化清洗干燥检验氧化膜。

2.2 微弧氧化处理工艺

本课题采用哈尔滨工业大学研制WHD10-400微弧氧化电源，电解液采用硅酸盐体系进行实验。电解液采用Na2SiO3·9H20与KOH按一定比例配配制，氧化时采用恒流法，电流密度确定为9A/dm2，频率为250 Hz，氧化时间为90 min。

3 实验结果与讨论

3.1 Na2SiO3浓度及KOH浓度对微弧氧化膜层质量的影响

在电解液配比实验中，按照基本满足微弧氧化膜使用要求为原则，防止薄膜过薄或过粗糙，经筛选排除后只对KOH浓度1-2 g /l，Na2Si03浓度6-12 g /l时进行实验分析，采用KOH浓度为1 g /l，Na2Si03浓度6-12 g /l的电解液进行试验，发现电压升至320 V左右时试样表面开始起弧，当实验进行90 min后，试样表面火花开始变的稀疏并且颗粒粗大，可以停止反应，确定氧化时间为90 min。当KOH浓度为2 g /l，当电压升至290 V左右时开始起弧，当实验进行80 min后可以停止弧氧化反应。对试验结果分析后得出在KOH浓度为1 g/l和2 g /l时，Na2Si03浓度与膜层的厚度的关系曲线分别如图1。

由图1可知，Na2Si03浓度对膜层质量的影响是随着Na2Si03浓度升高，膜层厚度会明显增加，膜层的均匀性会下降，且当Na2Si03浓度大于10 g /l后均匀性才开始下降明显。

由图1可发现KOH浓度为2g /l时所得膜层都比KOH浓度为lg/l时所得膜层的厚度要大，KOH浓度为2 g /l时，试验的起弧电压在290 V左右，而KOH浓度为lg /l时，试验的起弧电压在320 V左右，对比微弧氧化处理完的试样后发现，KOH浓度为2 g /l时所得微弧氧化膜层的均匀性都比KOH浓度为l g /l时要差。

3.2 占空比对膜层性能的影响

在最优配方配制的微弧氧化电解液中，采用不同的占空比进行微弧氧化试验，氧化时采用恒流法，电流密度确定为9A /dm2，对占空比为10%、20%、30%、40%、50%进行试验分析。其它工艺参数暂定为：氧化时间90 min、频率为250 Hz。对实验结果分析后得出占空比与膜层厚度的关系曲线如图2所示。

由图2可以看出，随着占空比的升高，所得微弧氧化膜层的厚度也随之增大，但当占空比超过40%时，膜层开始变的疏松、粗糙、成膜不均匀，且试样表面外观形貌不佳，触点出现烧蚀现象。

3.3 微弧氧化膜层硬度测试及物质结构分析

经硬度测量可得膜层硬度平均值为1100HV，而采用硬质阳极氧化工艺处理的同种试样硬度平均值仅为200HV，所以经微弧氧化处理的试样硬度比一般的表面处理工艺高很多，同时高硬度可以极大的提高膜层的耐磨性能。

3.5 微弧氧化膜层的磨损实验分析

本试验采用的磨损试验机为高温摩擦磨损试验机，载荷为500 g，摩擦半径5 mm，试验时间20 min。对应用最优电解液配方及最佳工艺参数进行微弧氧化处理的试样进行筛选，选出膜层致密层厚度最厚，膜层均匀性及手感细腻程度最好的试样进行磨损试验。磨损试验后致密层试样失重-0.7 mg，疏松层失重-1.43 mg。致密层摩擦系数要小于疏松层。

从实验结果看出，试验未失重，反而增重，且疏松层增重大于致密层，说明应用本课题研究的最优电解液配方及最佳工艺参数进行微弧氧化处理的试样所得膜层致密层厚度和疏松层厚度均比对磨材料耐磨性要高，以至于磨损后试样增重。由于致密层耐磨性好，对磨材料反被磨损进入膜层中的量多，以至于到后来变成对磨材料之间的摩擦，所以致密层增重少，而疏松层的中等耐磨性可以使对磨材料在整个试验中一直不断的进入膜层，所以总体来说增重反而更多。

4 实验结论

本论文着重研究了电解液及电参数对铝合金微弧氧化陶瓷膜的质量及耐磨性的影响，得到如下结论：

1）随着Na2Si03浓度升高，膜层厚度会随着增加，膜层的均匀性会下降。KOH浓度为2 g/l时所得微弧氧化膜层的均匀性都比KOH浓度为l g/l时要差。

2）随着占空比的升高，所得微弧氧化膜层的性能先提高后降低，在本工艺实验条件下占空比40%最好。

3）通过本实验条件制备的2024铝合金微弧氧化薄膜具有高硬度和良好的耐磨性，显著提高了2024铝合金的使用性能。

参考文献

[1]徐俊，胡正前，等.电解液参数对铝合金微弧氧化膜层质量的影响[J].电镀与涂饰，2006，25（10）：43-46.

[2]魏同波，郭宝刚，等.铝合金微弧氧化陶瓷膜的性能研究[J].材料科学与工程，2004，22（4）：564-567.

[3]贺子凯，唐培松.溶液体系对微弧氧化陶瓷膜的影响[J].材料保护，2001，34（11）：12-13.

[4]吴汉华.铝钛合金微弧氧化陶瓷膜的制备表征及其特性研究[D].吉林大学，2004.

作者简介

张文斌（1990-），南昌航空大学材料学院金属材料工程专业学生。

通讯作者：邵志松（1979-），江苏扬州人，南昌航空大学材料学院教师。