關(guān)長(zhǎng)輝

【摘 要】ZL109鑄造鋁合金具有輕量化、慣性小和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但表面硬度低、強(qiáng)度差、耐磨性差、易腐蝕等缺點(diǎn)限制了其在高速?gòu)?fù)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(diǎn)。部分職業(yè)院校開(kāi)設(shè)微弧氧化相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程，課程中最常用到的實(shí)驗(yàn)材料是ZL109鋁合金。文章重點(diǎn)研究微弧氧化陶瓷層特點(diǎn)、陶瓷層成膜機(jī)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(dá)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(lèi)號(hào)】TG174 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）11-0064-03

0 緒論

隨著國(guó)家對(duì)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(qiáng)，微弧氧化實(shí)驗(yàn)也逐漸進(jìn)入一些職業(yè)院校的實(shí)驗(yàn)課堂。本文旨在通過(guò)對(duì)微弧氧化陶瓷層特點(diǎn)、成膜機(jī)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(jìn)行研究，最終達(dá)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(jiǎn)介

ZL109鑄造鋁合金具有輕量化、慣性小和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但表面硬度低、強(qiáng)度差、耐磨性差、易腐蝕等缺點(diǎn)限制了其在高速?gòu)?fù)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(diǎn)。經(jīng)過(guò)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(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、汽車(chē)、軍工領(lǐng)域[1]。

1.1 微弧氧化優(yōu)點(diǎn)

微弧氧化陶瓷層具備很多優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。？譹？訛微弧氧化反應(yīng)對(duì)環(huán)境污染小;？譺？訛微弧氧化反應(yīng)過(guò)程能耗較低;？譻？訛陶瓷層在基體原位生長(zhǎng)，與基體冶金結(jié)合，不易脫落，抗熱沖擊性能強(qiáng);？譼？訛改變實(shí)驗(yàn)條件、反應(yīng)時(shí)間、電解液成分可以控制陶瓷層厚度和性能;？譽(yù)？訛陶瓷層耐腐蝕性能強(qiáng);？譾？訛陶瓷層表面硬度高、耐磨性好;？譿？訛陶瓷層形成過(guò)程不受試件形狀影響[2]。

微弧氧化陶瓷層性能對(duì)應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景見(jiàn)表1。

1.2 微弧氧化陶瓷膜成膜機(jī)理

微弧氧化工藝只能在“閥金屬”及其合金上使用?！伴y金屬”是指在自然狀態(tài)或點(diǎn)解液環(huán)境中能夠在表面自然形成一層絕緣性很強(qiáng)的“氧化膜”的金屬。微弧氧化技術(shù)就是利用“閥金屬”的這個(gè)特點(diǎn)，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(fù)極，利用高壓電擊穿氧化膜的過(guò)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(jìn)而凝固、沉積在等離子放電通道附近。微弧氧化陶瓷過(guò)程是電化學(xué)作用與物理放電作用的共同作用的結(jié)果。把陽(yáng)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(diǎn)，這一技術(shù)特點(diǎn)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(diǎn)[3]。

陶瓷層成膜機(jī)理主要分為以下3個(gè)過(guò)程。

（1）初始無(wú)定形氧化膜的形成。實(shí)驗(yàn)初期，試件在電解液中陽(yáng)極表面處的氧化膜同時(shí)進(jìn)行著生長(zhǎng)和溶解的過(guò)程，然后使用適宜的工藝過(guò)程使得微弧氧化膜層的生長(zhǎng)速度大于其溶解速度，并使之達(dá)到某種平衡，使得微弧氧化陶瓷膜層不斷地生長(zhǎng)。

（2）氧化膜擊穿放電。20世紀(jì)70年代初，有科學(xué)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(shí)進(jìn)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(wú)定形氧化膜的晶化過(guò)程。氧化膜被擊穿的同時(shí)伴隨著等離子放電，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，溫度可達(dá)3 000 ℃。在此過(guò)程中，無(wú)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(diǎn)。

（1）電壓。電壓影響膜層的組成成分、膜層的生長(zhǎng)速率及膜層的粗糙度等。微弧氧化過(guò)程中設(shè)備提供給實(shí)驗(yàn)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(gè)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(guò)程中最高電壓在500 V左右，個(gè)別的特殊的處理工藝電壓最高可以達(dá)到600 V，電壓如果過(guò)大會(huì)對(duì)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(lèi)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(zhǎng)速率和致密度等，同時(shí)會(huì)對(duì)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(shí)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(shí)間范圍內(nèi)，膜層的厚度與微弧氧化時(shí)間呈正相關(guān)，其原因是微弧氧化反應(yīng)進(jìn)行的過(guò)程中膜層的生成與溶解是同時(shí)進(jìn)行的，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定的程度時(shí)，膜層的生成速率小于其溶解速率，所以膜層厚度會(huì)開(kāi)始減小[4]。

（4）電解液特性。電解液成分組成及其配比對(duì)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(dǎo)電劑、鈍化劑、穩(wěn)定劑和改良劑。

2 實(shí)驗(yàn)器材及設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

試樣材料為ZL109，將其切割成40 mm×10 mm×10 mm的長(zhǎng)方體試樣，除油、清洗后進(jìn)行打磨，將表面打磨平整，在經(jīng)過(guò)打磨的表面鉆孔、攻絲，用鋁線連接、固定試件，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，連接試件的鋁線與電源陽(yáng)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(shì)差。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

（1）微弧氧化設(shè)備。實(shí)驗(yàn)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(fù)向直流電流為0～30 A，負(fù)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(jī)。金相試樣切割機(jī)可以切割較硬的金屬材料，其切割砂輪片厚度較小，切割過(guò)程中轉(zhuǎn)速較高，可以通過(guò)冷卻控制切割溫度，避免高溫對(duì)試件組織產(chǎn)生影響。

（3）金相試樣鑲嵌機(jī)。金相試樣鑲嵌機(jī)通過(guò)加熱將熱因性塑料對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌。

（4）金相試樣預(yù)磨機(jī)。金相試樣預(yù)磨機(jī)的作用是對(duì)金屬試件進(jìn)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(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行選擇。

（5）金相試樣拋光機(jī)。拋光機(jī)是對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)膜機(jī)打磨后的試件進(jìn)行進(jìn)一步磨削拋光，拋光磨料采用織物。設(shè)備啟動(dòng)后采用手動(dòng)施壓進(jìn)行拋光。

（6）金相顯微鏡。金相顯微鏡運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將光學(xué)顯微鏡中的視圖顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，方便存儲(chǔ)。

（7）顯微硬度計(jì)。顯微硬度計(jì)的測(cè)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(dá)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(shuō)明

3.1 實(shí)驗(yàn)前處理

首先除油，然后用去離子水沖洗，最后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。試驗(yàn)后，用等離子水洗凈、吹干、編號(hào)、保存。除油液配制方法：根據(jù)電解槽的容積計(jì)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)的研究方向?yàn)閺?fù)合電解液體系對(duì)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(shí)驗(yàn)，便于參照對(duì)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(fù)向電壓為120 V，工作頻率為500 Hz，正占空比為20%，負(fù)占空比為20%，正向脈沖數(shù)為1，負(fù)向脈沖數(shù)為1，工作時(shí)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(jí)藥品。根據(jù)電解槽的容積計(jì)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(bǔ)充蒸餾水至所需體積，用壓縮空氣攪拌均勻后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

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(duì)微弧氧化陶瓷膜的腐蝕，也避免為后續(xù)的觀察測(cè)量帶來(lái)麻煩，殘留的電解液水分揮發(fā)后剩余的電解質(zhì)會(huì)對(duì)粗糙度產(chǎn)生影響。清洗的辦法為在常溫條件下，使用導(dǎo)電率不大于20μs的去離子水進(jìn)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(yàn)后處理

實(shí)驗(yàn)后處理流程如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

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

（2）控制實(shí)驗(yàn)溫度，由于反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生上千度的高溫，所以要對(duì)電解液進(jìn)行持續(xù)冷卻處理。

（3）規(guī)范實(shí)驗(yàn)流程，嚴(yán)格按照本文指示進(jìn)行試件的預(yù)處理，調(diào)制配方，按照流程進(jìn)行后處理。

（4）注意測(cè)量數(shù)據(jù)和試樣分類(lèi)保存，便于后期提取。

（5）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果得到理想膜層狀態(tài)，應(yīng)該在相同實(shí)驗(yàn)條件下至少重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，如果膜層狀態(tài)變化不大，說(shuō)明在該實(shí)驗(yàn)條件下得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定。

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2]馬春生，程?hào)|，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(xué)報(bào)，2017，38（7）：160-166.

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

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

[5]趙拯.微弧氧化技術(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制及其反應(yīng)機(jī)理研究[D].北京：清華大學(xué)，2015.