CN103849916A

CN103849916A - 一种微弧氧化法制备钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层的方法及微弧氧化溶液

Info

Publication number: CN103849916A
Application number: CN201410073685.2A
Authority: CN
Inventors: 刘海峰; 刘海玉
Original assignee: BAOJI SANSHENG RARE METAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Baoji Sanxian Non-ferrous Metal Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: CN103849916B

Abstract

本发明公开了一种微弧氧化制备钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层的方法，包括微弧氧化溶液和微弧氧化工艺。所述溶液主要成分为：Na₂SO₄、NaPO₄、NaCl、H₂O₂、添加剂。所述微弧氧化工艺采用直流脉冲通电方式，电压输出的是标准矩形方波或单极性正弦波，通过控制脉冲频率、占空比、升压速率等参数在钛及钛合金表面制备高光洁度陶瓷耐磨层。在稳定的脉冲放电条件下生成均匀致密的氧化陶瓷膜，通过控制钛合金表面初始粗糙度小于Ra3.2μm的条件下，生长出的陶瓷耐磨层平均粗糙度可达到Ra0.25μm，同时陶瓷层硬度大于700Hv，具备良好的耐磨性能，且不影响零件尺寸精度。

Description

一种微弧氧化法制备钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层的方法及微弧氧化溶液

技术领域

本发明涉及一种钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层微弧氧化制备方法，采用该方法可以不影响零部件装配精度的前提下在钛及钛合金表面制备光滑致密的耐磨陶瓷膜层。

背景技术

钛及钛合金具有高比强度、优异的耐腐蚀性能，目前广泛应用于航空航天、航海、石油化工等领域，但是钛合金存在表面硬度低、耐磨性差，钛及钛合金的表面硬度通常不超过340Hv，使用中容易发生粘着磨损造成沟槽磨痕，最终零件失效，限制了钛合金在液压部件、尺寸精密零部件的应用范围。提高钛合金耐磨性的途径由很多种，包括表面合金化、表面涂层处理：采用激光融覆、喷涂等方法制备硬质耐磨层可以提高钛合金表面硬度，但得到的表面都很粗糙，光洁度低，且涂层与钛合金基体之间存在界面，容易造成起皮开裂等缺陷；借助PVD、CVD法在钛合金表面沉积TiC、TiN、TiNAlN、TiB等成分的涂层，可获得高硬度、高耐磨的性能。但CVD法工艺大多在800℃以上，高温过程影响了钛合金零件的力学性能和尺寸精度。PVD法在钛合金表面制备的硬质耐磨层比较成熟，但都存在成膜速度慢，成本高、零件深孔、细缝等部位难以处理的问题。采用钛合金微弧氧化技术，通过电解液与电参数的匹配，可以在钛及钛合金表面制备硬质陶瓷膜，具备在工件内壁内孔的制备涂层的特点。所处理的陶瓷膜层在金属基体表面原位生长，膜层结合牢固，具有耐磨、耐蚀、绝缘等性能。微弧氧化技术具有溶液无污染，成本低的特点。目前，在钛及钛合金精密零部件表面微弧氧化法制备耐磨陶瓷膜层，存在的问题是：1）制备的陶瓷膜层多孔疏松且质地较脆，耐磨性能不理想；2）制备的陶瓷膜层表面非常粗糙，达不到精密零部件表面粗糙度要求；3）工艺过程反应剧烈，电流消耗大，浪费能源。

因此在钛及钛合金表面制备具有低粗糙度、致密耐磨的微弧氧化陶瓷膜层具有很好的应用推广前景。

经检索相关钛合金微弧氧化有关专利如下：

申请号CN01113982.X的专利公开了一种钛合金耐磨层的氧化溶液配方法和工艺。该申请是将钛合金工件作为阳极置于硫酸组成的溶液中，在低温下通电升压至高于120V时得到2～12μm的氧化膜，膜层硬度高，可提高零件耐磨性能，但对制备膜层后零件的光洁度没有涉及。

申请号CN201110179072.3的专利公开了一种钛合金耐磨涂层的微弧氧化溶液及其应用。其提供了一种由KOH、Na₂SiO₃、NaF、三乙醇胺以及Na₂B₄O₇组成的溶液，在较高的电压和电流下在钛合金表面形成HV700以上的膜层，由于电压电流较高，成膜效率较高，膜层硬度高，但未涉及工艺对零件表面的光洁度的影响。

申请号：CN201210206659.3的专利公开了一种TiC颗粒增强钛基复合材料表面微弧氧化陶瓷层的制备方法。该申请是将TiC颗粒增强钛基复合材料放入电解液中，采用双向脉冲电源，微弧氧化处理陶瓷层TiC颗粒增强钛基复合材料，由于膜层掺杂了TiC颗粒，提高了耐磨性能。

申请号：CN201010615358.7的专利公开了一种钛合金表面微弧氧化减摩复合膜层的制备方法，该申请是将固体润滑剂引入溶液，在钛合金微弧氧化过程中固体润滑剂掺杂到膜层内制得具有减摩效果的微弧氧化复合膜层，减摩效果明显。

申请号：CN200910308780.5与CN03132586.6专利分别公开了微弧氧化溶液配方以及制备方法，都可以制备出结合强度高，耐磨性好的陶瓷膜层。但均未涉及制备膜层后对零件的光洁度的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层微弧氧化制备方法，以克服现有技术针对钛及钛合金精密零部件制备陶瓷膜层的过程中出现表面粗糙度恶化，影响零件尺寸精度的问题。

本发明的技术方案：

一种钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层微弧氧化制备方法，包括微弧氧化溶液和微弧氧化工艺。

微弧氧化溶液包括溶质和溶剂，溶质为Na₂SO₄、NaPO₄、NaCl、H₂O₂、添加剂，溶剂为去离子水。

上述微弧氧化溶液中溶质的含量为：Na₂SO₄:3～30g/L；NaPO₄：5～20g/L；NaCl：3～10g/L；H₂O₂：1～3ml/L；添加剂：0.1～5g/L。

上述微弧氧化溶液中添加剂由浸润剂组成，其成分由烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨醇脂、脂肪醇聚氧乙烯醚组成，但不仅限于上述几种非离子表面活性剂。可以是其中一种或几种，其总添加量为0.1～5g/L。

上述溶液，特征在于将各溶质加入去离子水成分溶解后即得到制备高光洁度陶瓷耐磨层的微弧氧化溶液。

上述一种钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层微弧氧化制备方法,工件应预先进行除油并充分清洗。采用与钛合金丝作为夹具仔细装夹零件，保证接触良好。

上述一种钛合金表面微弧氧化制备高光洁度陶瓷耐磨层的方法，采用的是不锈钢槽或聚丙烯塑料槽，其中不锈钢槽连接微弧氧化电源负极，采用聚丙烯塑料槽时，采用不锈钢板作为阴极。钛合金丝连接钛零件作为阳极，连接微弧氧化电源正极。其中，阴极面积应是阳极面积的3倍以上。

上述一种钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层微弧氧化制备方法,微弧氧化工艺采用直流脉冲通电方式，电压输出的是标准矩形方波或单极性正弦波；脉冲频率100～600Hz；占空比40～80%；通过调整升压速率，控制平均电流1～9A/dm²；终止电压应在200V～400V；时间10～30min；电解液温度小于60℃。

上述一种钛合金表面微弧氧化制备高光洁度陶瓷耐磨层的方法，为保证最终钛合金零件表面陶瓷耐磨层的光洁度，要求加工的钛合金零件初始表面粗糙度应小于Ra3.2μm。

采用上述一种钛合金表面微弧氧化制备高光洁度陶瓷耐磨层的方法处理后的钛合金样品表面即形成致密光滑的陶瓷耐磨层，需用清水进行冲洗干燥的后续处理。

本发明的一种钛合金表面微弧氧化制备高光洁度陶瓷耐磨层的微弧氧化溶液，改进了钛合金表面放电特性，在持续稳定的放电条件下生成均匀致密的氧化陶瓷膜，10～30min后在钛合金表面能够制备出厚度为10～30μm的陶瓷耐磨层，通过控制钛合金表面初始粗糙度小于Ra3.2μm的条件下，生长出的陶瓷耐磨层平均粗糙度可达到Ra0.25μm，最高可以达到Ra0.2μm。同时陶瓷层硬度在700Hv～800Hv，具备良好的耐磨性能。

本发明公开的方法制备的陶瓷膜层致密均匀，钛合金零件经处理后表面光洁度可以达到Ra0.25μm，解决了普通微弧氧化法在钛及钛合金表面制备陶瓷膜层疏松质脆，表面粗糙度差的问题，同时工艺过程温和，电流消耗低，形成的涂层硬度高，耐磨性好。

附图说明

图1应用实施例2所得的陶瓷耐磨层表面形貌电镜照片。

具体实施方式

通过实施例并附图1对本发明进一步说明，实施例是应用本发明的一部分，并不限制本发明。

实施例所使用的检测仪器及方法为：

硬度检测：HV、HK双压头自动砖塔显微硬度计，型号：HXD-1000TMSC/LCD（上海泰明）。依据标准：GB/T4340.1-1999金属材料维氏硬度试验，载荷50g，保持时间15s，测量5个点硬度，取平均值；

粗糙度检测：Mahr Perthometer M1型粗糙度检测仪（made in Germany）。检测长度/L1：5.6mm；检测步长/λc：0.8mm；取样点数量/n：5个；标样规格：Ra3.33μm；

实施例1：

配置溶液：Na₂SO₄3g/L；NaPO₄5/L；NaCl3/L；H₂O₂1ml/L；烷基酚聚氧乙烯醚0.1g/L，上述溶质加入去离子水中搅拌均匀，即得到微弧氧化溶液，溶液倒入反应槽待用。

钛合金样品选用TA2试片，表面经机械抛光至表面粗糙度小于Ra3.2μm，经除油清洗，使用钛合金丝装夹牢固，钛合金丝连接钛零件作为阳极，连接微弧氧化电源正极。采用不锈钢板作为阴极，连接微弧氧化电源负极。

微弧氧化过程控制脉冲频率100Hz；占空比80%；通过调整升压速率，控制平均电流1A/dm²；终止电压应在200V；时间10min；控制电解液温度小于60℃。处理后的钛合金样品表面形成陶瓷层，再用清水冲洗后自然干燥。

最终所得的TA2合金陶瓷耐磨层，经显微硬度计进行测试，结果显示显微硬度平均值为706Hv，经粗糙度检测仪检测，涂层表面粗糙度为Ra0.36μm

实施例2：

配置溶液：Na₂SO₄20g/L；NaPO₄10/L；NaCl5/L；H₂O₂1ml/L；失水山梨醇脂1g/L；脂肪醇聚氧乙烯1g/L，上述溶质加入去离子水中搅拌均匀，即得到微弧氧化溶液，溶液倒入反应槽待用。

钛合金样品选用TC4试片，表面经机械抛光至表面粗糙度小于Ra3.2μm，经除油清洗，使用钛合金丝装夹牢固，钛合金丝连接钛零件作为阳极，连接微弧氧化电源正极。采用不锈钢板作为阴极，连接微弧氧化电源负极。

微弧氧化过程控制脉冲频率500Hz；占空比60%；通过调整升压速率，控制平均电流6A/dm²；终止电压应在300V；时间30min；控制电解液温度小于60℃。处理后的钛合金样品表面形成陶瓷层，再用清水冲洗后自然干燥。

最终所得的TC4合金陶瓷耐磨层，经显微硬度计进行测试，结果显示显微硬度平均值为786Hv，经粗糙度检测仪检测，涂层表面粗糙度为Ra0.23μm，图1即为应用实施例2所得的陶瓷耐磨层表面形貌电镜照片。

实施例3：

配置溶液：Na₂SO₄30g/L；NaPO₄20/L；NaCl10/L；H₂O₂3ml/L；脂肪醇聚氧乙烯醚5g/L，上述溶质加入去离子水中搅拌均匀，即得到微弧氧化溶液，溶液倒入反应槽待用。

钛合金样品选用TC21试片，表面经机械抛光至表面粗糙度小于Ra3.2μm，经除油清洗，使用钛合金丝装夹牢固，钛合金丝连接钛零件作为阳极，连接微弧氧化电源正极。采用不锈钢板作为阴极，连接微弧氧化电源负极。

微弧氧化过程控制脉冲频率600Hz；占空比80%；通过调整升压速率，控制平均电流9A/dm²；终止电压应在400V；时间30min；控制电解液温度小于60℃。处理后的钛合金样品表面形成陶瓷层，再用清水冲洗后自然干燥。

最终所得的TC21合金陶瓷耐磨层，经显微硬度计进行测试，结果显示显微硬度平均值为764Hv，经粗糙度检测仪检测，涂层表面粗糙度为Ra0.25μm，

上述实施例只是用来解释说明本发明，并未对本发明实施应用进行限制。

Claims

1.一种钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层微弧氧化溶液，包括溶质和溶剂，其特征是溶质由Na₂SO₄、NaPO₄、NaCl、H₂O₂、添加剂组成，溶剂为去离子水；且溶质的含量为：Na₂SO₄3～30g/L；NaPO₄5～20g/L；NaCl3～10g/L；H₂O₂1～3ml/L；添加剂0.1～5g/L。

2.根据权利要求1所述的溶液，其特征是所述添加剂成分由烷基酚聚氧乙烯醚、失水山梨醇脂、脂肪醇聚氧乙烯醚其中一种或几种组成。

3.利用权利要求1或2所述溶液通过微弧氧化法制备钛合金表面高光洁度陶瓷耐磨层的方法,其特征是微弧氧化工艺采用直流脉冲通电方式，电压输出的是标准矩形方波或单极性正弦波；脉冲频率100～600Hz；占空比40～80%；通过调整升压速率，控制平均电流1～9A/dm²；终止电压应在200V～400V；时间10～30min；电解液温度小于60℃。

4.如权利要求3所述的方法，其特征是将待加工的钛合金工件表面处理至粗糙度应小于Ra3.2μm。

5.如权利要求3所述方法,其特征是将待加工工件预先进行除油并充分清洗；采用钛合金丝作为夹具仔细装夹工件保证接触良好。

6.如权利要求3所述方法，其特征是处理后的钛合金工件表面即形成致密光滑的陶瓷耐磨层，需用清水进行冲洗干燥的后续处理。

7.如权利要求3所述方法，其特征是微弧氧化时采用不锈钢槽或聚丙烯塑料槽，其中采用不锈钢槽时不锈钢槽连接微弧氧化电源负极；采用聚丙烯塑料槽时，采用不锈钢板作为阴极；并以钛合金丝连接钛工件作为阳极，连接微弧氧化电源正极；其中，阴极面积应是阳极面积的3倍以上。