CN101280450A - 一种减少钛合金表面摩擦系数的微弧氧化工艺 - Google Patents

一种减少钛合金表面摩擦系数的微弧氧化工艺 Download PDF

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邵志松
冯长杰
王春霞
周海飞
陈宁
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Abstract

一种减少钛合金表面摩擦系数的微弧氧化工艺，其工艺步骤为：(1)化学除油；(2)微弧氧化；微弧氧化工艺的基本参数为，磷酸三钠1－30g/L，钨酸钠0－10g/L，硅酸钠0－50g/L，酒石酸0－20g/L，丙三醇0－10g/L。氢氧化钠5－10g/L；(3)后处理；氧化后的膜层进行浸热油处理。本发明能在钛合金表面上得到结合力强、硬度高、摩擦系数低的高性能陶瓷膜，经MM－U5G屏材料端面高温摩擦磨损测试机测试，钛合金微弧氧化膜的摩擦系数为0.1－0.15，实验完后观察氧化膜膜层，未发现脱落和磨损现象。

Description

一种减少钛合金表面摩擦系数的微弧氧化工艺
技术领域
本发明涉及一种材料表面处理工艺，尤其是一种减少钛合金表面摩擦系数的微弧氧化工艺。
背景技术
钛合金比强度高、耐腐蚀性能好，它不仅在航空发动机上取代了铝合金、镁合金及钢构件，而且在先进飞机上也获得大量应用，如苏-27飞机上各种钛合金零件的重量约占飞机结构重量的15％；美国第三代战斗机F-14和F-15上钛合金零件总重量占飞机结构重量的比例分别高达24％和27％，而美国第四代战斗机F-22上钛合金用量已达41％。钛合金除了在航空领域上获得大量应用外，在日常生活中的使用量也日益增加，如在生物医学、汽车零件、电子行业等方面。
尽管钛合金的应用越来越广泛，但因它的表面摩擦系数过高，在使用中会发生摩擦磨损和粘着磨损，在机械零件中还会出现咬死等现象，因此在特定领域如连接件等方面钛合金的运用受到了很大限制。
微弧氧化技术是在阳极氧化技术的基础上发展起来的，但两者的膜层的形成机理有很大不同，并由此导致它们的制备工艺和膜层性能的区别。微弧氧化技术在制备中使用较高的电压，完全超出了阳极氧化的范围，将制备电压区域由Faraday区引入到高压放电区域。在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化和等离子氧化作用同时存在，陶瓷氧化膜的形成过程非常复杂，得到的膜层硬度高，耐磨性好。
目前微弧氧化技术应用最多的是在镁、铝合金上形成微弧氧化陶瓷膜，在钛合金上运用较少，将这种技术用于降低钛合金表面摩擦系数研究更少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少钛合金表面摩擦系数的微弧氧化工艺。采用该工艺能够在TC4等钛合金上得到结合力强、硬度高、摩擦系数低的高性能陶瓷瓷膜。
本发明是这样来实现的，其工艺步骤为：
(1)化学除油：为了去除试片表面的油污，提高基体与氧化膜层的结合力，采用化学除油法除油。除油后的零件经水彻底清洗后，应进行零件表面水膜连续性检查，若整个金属表面亲水，没有水珠和不浸润处，则认为除油合格，除油使用常规的化学除油配方：
氢氧化钠30g/L-50g/L、磷酸钠30g/L-50g/L、碳酸钠20g/L-30g/L、硅酸钠3g/L-10g/L、总碱度(相当于NaOH)40g/L-80g/L、温度70℃-90℃、时间10min-20min；
(2)微弧氧化：采用钛丝做夹具，制作成所需要的形状，保证在微弧氧化反应过程中夹具与试片接触良好。在此过程中，由于火花放电溶液温度易升高，而微弧氧化要求实验温度低于85℃，所以实验中采用循环冷却水冷却槽液，微弧氧化工艺的基本参数为：磷酸三钠1-30g/L，钨酸钠0--10g/L，硅酸纳0-50g/L，酒石酸0-20g/L，丙三醇0--10g/L。氢氧化纳5-10g/L，采用直流或直流叠加脉冲通电方式，采用直流通电方式平均电流密度2-8A/dm2，通电时间10-15分钟。采用脉冲通电方式时，脉冲频率400-600Hz，占空比30-100％，平均电流密度2-8A/dm2，时间10-15分钟；
(3)后处理：氧化后的膜层进行浸热油处理，可以采用20号机油，油温180℃，时间20分钟。浸油处理主要是充分利用微弧氧化膜的多孔性，将油储存在膜层的微孔中，在摩擦时起到润滑作用，进一步降低摩擦系数。
本发明的技术效果：能在钛合金表面上得到结合力强、硬度高、摩擦系数低的高性能陶瓷膜，经MM-U5G屏材料端面高温摩擦磨损测试机测试，钛合金微弧氧化膜的摩擦等数仅为0.1-0.15，实验完后观察氧化膜膜层完整，没有发现脱落和磨损现象。
具体实施方式
实施例一：(1)化学除油：除油使用常规的化学除油配方：
氢氧化钠(NaOH)           30g/L
磷酸钠(Na3PO4·12H2O)    30g/L
碳酸钠(Na2CO3)           20g/L
硅酸钠(Na2SiO3)          3g/L
总碱度(相当于NaOH)       40g/L
温度                     70℃-90℃
时间                     10min-20min
除油后的零件经水彻底清洗后，应进行零件表面水膜连续性检查，若整个金属表面亲水，没有水珠和不浸润处，则认为除油合格；
(2)微弧氧化：采用钛丝做夹具，制作成所需要的形状，保证在微弧氧化反应过程中夹具与试片接触良好。在此过程中，由于火花放电溶液温度易升高，而微弧氧化要求实验温度低于85℃，所以实验中采用循环冷却水冷却槽液。微弧氧化工艺的基本参数为：磷酸三钠1-30g/L，钨酸钠0--10g/L，硅酸纳0-50g/L，酒石酸0--20g/L，丙三醇0--10g/L。氢氧化纳5-10g/L，采用直流或直流叠加脉冲通电方式，采用直流通电方式平均电流密度2-8A/dm2，通电时间10-15分钟。采用脉冲通电方式时，脉冲频率400-600Hz，占空比30-100％，平均电流密度2-8A/dm2，时间10-15分钟。
(3)后处理：氧化后的膜层进行浸热油处理，可以采用20号机油，油温180℃，时间20分钟。浸油处理主要是充分利用微弧氧化膜的多孔性，将油储存在膜层的微孔中，在摩擦时起到润滑作用，进一步降低摩擦系数。
实施例二：(1)化学除油：除油使用常规的化学除油配方：
氢氧化钠(NaOH)                50g/L
磷酸钠(Na3PO4·12H2O)         50g/L
碳酸钠(Na2CO3)                30g/L
硅酸钠(Na2SiO3)               10g/L
总碱度(相当于NaOH)            80g/L
温度                          70℃-90℃
时间                          10min-20min
除油后的零件经水彻底清洗后，应进行零件表面水膜连续性检查，若整个金属表面亲水，没有水珠和不浸润处，则认为除油合格；
(2)微弧氧化：采用钛丝做夹具，制作成所需要的形状，保证在微弧氧化反应过程中夹具与试片接触良好。在此过程中，由于火花放电溶液温度易升高，而微弧氧化要求实验温度低于85℃，所以实验中采用循环冷却水冷却槽液。微弧氧化工艺的基本参数为：磷酸三钠1-30g/L，钨酸钠0--10g/L，硅酸纳0-50g/L，酒石酸0--20g/L，丙三醇0--10g/L。氢氧化纳5-10g/L，采用直流或直流叠加脉冲通电方式，采用直流通电方式平均电流密度2-8A/dm2，通电时间10-15分钟。采用脉冲通电方式时，脉冲频率400-600Hz，占空比30-100％，平均电流密度2-8A/dm2，时间10-15分钟。
(3)后处理：氧化后的膜层进行浸热油处理，可以采用20号机油，油温180℃，时间20分钟。浸油处理主要是充分利用微弧氧化膜的多孔性，将油储存在膜层的微孔中，在摩擦时起到润滑作用，进一步降低摩擦系数。
实施例三：(1)化学除油：除油使用常规的化学除油配方：
氢氧化钠(NaOH)            40g/L
磷酸钠(Na3PO4·12H2O)     40g/L
碳酸钠(Na2CO3)            25g/L
硅酸钠(Na2SiO3)           6.5g/L
总碱度(相当于NaOH)        60g/L
温度                      70℃-90℃
时间                      10min-20min
除油后的零件经水彻底清洗后，应进行零件表面水膜连续性检查，若整个金属表面亲水，没有水珠和不浸润处，则认为除油合格，
(2)微弧氧化：采用钛丝做夹具，制作成所需要的形状，保证在微弧氧化反应过程中夹具与试片接触良好。在此过程中，由于火花放电溶液温度易升高，而微弧氧化要求实验温度低于85℃，所以实验中采用循环冷却水冷却槽液。微弧氧化工艺的基本参数为：磷酸三钠1-30g/L，钨酸钠0--10g/L，硅酸纳0-50g/L，酒石酸0--20g/L，丙三醇0--10g/L。氢氧化纳5-10g/L，采用直流或直流叠加脉冲通电方式，采用直流通电方式平均电流密度2-8A/dm2，通电时间10-15分钟。采用脉冲通电方式时，脉冲频率400-600Hz，占空比30-100％，平均电流密度2-8A/dm2，时间10-15分钟。
(3)后处理
氧化后的膜层进行浸热油处理，可以采用20号机油，油温180℃，时间20分钟。浸油处理主要是充分利用微弧氧化膜的多孔性，将油储存在膜层的微孔中，在摩擦时起到润滑作用，进一步降低摩擦系数。

Claims (1)

1、一种减少钛合金表面摩擦系数的微弧氧化工艺，其特征是工艺步骤为：
(1)化学除油：化学除油配方为氢氧化钠30g/L-50g/L、磷酸钠30g/L-50g/L、碳酸钠20g/L-30g/L、硅酸钠3g/L-10g/L、总碱度40g/L-80g/L、温度70℃-90℃、时间10min-20min；除油后的零件经水彻底清洗后，进行零件表面水膜连续性检查，若整个金属表面亲水，没有水珠和不浸润处，则除油合格；
(2)微弧氧化：采用钛丝做夹具，制作成所需要的形状，保证在微弧氧化反应过程中夹具与试片接触良好，微弧氧化温度低于85℃，微弧氧化工艺的基本参数为：磷酸三钠1-30g/L、钨酸钠0--10g/L、硅酸纳0-50g/L、酒石酸0--20g/L、丙三醇0--10g/L、氢氧化纳5-10g/L，采用直流或直流叠加脉冲通电方式，采用直流通电方式平均电流密度2-8A/dm2，通电时间10-15分钟，采用脉冲通电方式时，脉冲频率400-600Hz，占空比30-100％，平均电流密度2-8A/dm2，时间10-15分钟；
(3)后处理：氧化后的膜层进行浸热油处理，采用20号机油，油温180℃，时间20分钟。
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