CN107059089A - Zl109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺 - Google Patents

Zl109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺 Download PDF

Info

Publication number
CN107059089A
CN107059089A CN201710074049.5A CN201710074049A CN107059089A CN 107059089 A CN107059089 A CN 107059089A CN 201710074049 A CN201710074049 A CN 201710074049A CN 107059089 A CN107059089 A CN 107059089A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wear
film layer
aluminum alloy
differential arc
ceramic layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201710074049.5A
Other languages
English (en)
Inventor
马春生
程东
朱新河
严志军
付景国
刘泽泽
于光宇
郑世斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Maritime University
Original Assignee
Dalian Maritime University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Maritime University filed Critical Dalian Maritime University
Priority to CN201710074049.5A priority Critical patent/CN107059089A/zh
Publication of CN107059089A publication Critical patent/CN107059089A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • C25D11/06—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/026—Anodisation with spark discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

本发明公开了一种ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺，采用双极性脉冲微弧氧化电源，电解液的组成成分及浓度为：硅酸钠8g/L、氢氧化钾2.5g/L、钨酸钠5g/L、乙二胺四乙酸二钠2g/L；电参数为正向电压400v、负向电压120v、占空比20％、频率500Hz。本发明所述的ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺所生成的膜致密度较高，膜层与基体结合状态好，磨损状态稳定。

Description

ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺
技术领域
本发明涉及铝合金的表面处理技术领域，具体涉及一种ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺。
背景技术
ZL109铸造铝合金具有导热性好，热膨胀系数小，耐高温疲劳，质量轻等特点，被广泛用来制造内燃机活塞。但是，铸造铝硅合金的表面硬度较低、耐磨性和耐蚀性较差，随着现代发动机性能和工作寿命要求的不断提高，更需要适当的表面处理来提高它的性能。由于铸造铝硅合金中Si元素含量较高，所以常用的阳极氧化处理技术很难获得较厚的表面处理层。
微弧氧化技术是一项在普通阳极氧化技术基础上发展起来的一项表面处理技术，通过在样品表面发生复杂的电化学、等离子化学、热化学以光、电、热等物理作用形成较厚的陶瓷膜。所获得的陶瓷膜硬度高[4-5]，抗磨损、抗腐蚀、耐热冲击及绝缘性能好。
关于铝合金微弧氧化方面已有大量研究，但因铸造铝硅合金中的硅元素含量较高，会显著增加膜层中的孔隙率，使得其表面难以获得性能优良的陶瓷膜层。
发明内容
本发明针对以上提出的铸造铝硅合金中的硅元素含量较高，会显著增加膜层中的孔隙率，使得其表面难以获得性能优良的陶瓷膜层的问题，而研究设计一种ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺。本发明采用的技术手段如下：
一种ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺，采用双极性脉冲微弧氧化电源，电解液的组成成分及浓度为：硅酸钠8g/L、氢氧化钾2.5g/L、钨酸钠5g/L、乙二胺四乙酸二钠2g/L；电参数为正向电压400V、负向电压120V、占空比20％、频率500Hz。
进一步地，反应时间为60分钟。
进一步地，所述电解液的反应温度为30～40℃。
所述的ZL109铝合金的组分及含量为：Si为11.0％～13.0％，Cu为0.5％～1.5％，Mg为0.8％～1.3％，Ni为0.8～1.5％，其余为Al。
与现有技术比较，本发明所述的ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺所生成的膜致密度较高，膜层与基体结合状态好，磨损状态稳定。
附图说明
图1是本发明实施例中硅酸钠浓度与膜层厚度的关系曲线图。
图2是本发明实施例中硅酸钠浓度与膜层截面显微硬度的关系曲线图。
图3是本发明实施例中氢氧化钾浓度与膜层厚度的关系曲线图。
图4是本发明实施例中氢氧化钾浓度与膜层截面显微硬度的关系曲线图。
图5是本发明实施例中钨酸钠浓度与膜层厚度的关系曲线图。
图6是本发明实施例中钨酸钠浓度与膜层截面显微硬度的关系曲线图。
图7是本发明实施例中不同钨酸钠浓度对应的膜层XRD图谱。
图8是本发明实施例中钨酸钠浓度2g/L对应的膜层截面形貌图。
图9是本发明实施例中钨酸钠浓度5g/L对应的膜层截面形貌图。
图10是本发明实施例中不同占空比对应的膜层磨损曲线图。
图11是本发明实施例中占空比20％对应的膜层表面形貌图。
图12是本发明实施例中占空比50％对应的膜层表面形貌图。
图13是本发明实施例中电源频率100Hz生成的膜层横截面形貌图。
图14是本发明实施例中正负向电压单独变化生成的膜层厚度曲线图。
图15是本发明实施例中正向电压550V生成的膜层表面形貌图。
图16是本发明实施例中正向电压550V生成的膜层横截面形貌图。
图17是本发明实施例中膜层厚度与负向电压的关系曲线图。
图18是本发明实施例中膜层表面粗糙度与负向电压的关系曲线图。
图19是在正向电压400V、负向电压120V下生成的膜层截面形貌图。
具体实施方式
一种ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺，采用双极性脉冲微弧氧化电源，电解液的组成成分及浓度为：硅酸钠8g/L、氢氧化钾2.5g/L、钨酸钠5g/L、乙二胺四乙酸二钠2g/L；电参数为正向电压400V、负向电压120V、占空比20％、频率500Hz；反应时间为60分钟。
本实施例中，微弧氧化处理采用WD-20型双极性脉冲微弧氧化电源恒压模式，电解液主成膜剂为硅酸钠，添加剂为钨酸钠、氢氧化钾和乙二胺四乙酸二钠。试样为阳极，不锈钢反应槽为阴极。处理过程中，采用外置的循环水冷却系统使电解液温度保持在30～40℃，并通过气泵对电解液进行搅拌。采用TR200型手持式粗糙度仪测试膜层表面粗糙度；采用TT260型覆层测厚仪测试膜层厚度；采用HV-1000型显微维氏硬度计测试膜层横截面显微硬度，载荷为0.98N，加载时间为15s；采用自制往复式摩擦磨损试验机测试膜层耐磨性能，载荷：100N，速度：3m/s；利用泰思肯VEGA3型扫描电子显微镜观察膜层的形貌；采用Empyrean(荷兰)型X射线衍射仪分析膜层的相组成。所生成的膜层厚度为76μm，表面粗糙度为2.2872μm，致密度较高，膜层与基体结合状态好，磨损状态稳定，磨损量在30h后稳定在1mg左右。
如图1所示，随硅酸钠浓度升高膜层厚度逐渐增加，当硅酸钠浓度低于8g/L时，膜厚受硅酸钠浓度影响显著，当硅酸钠浓度高于8g/L时，硅酸钠浓度对膜厚影响不大。主要原因是硅酸钠具有较强的吸附性，其浓度的提高可以使更多的带电粒子被吸附在样品表面，同时又提供了更多的带电粒子，而且使电解液电导率大幅提高，导电性增强，形成更多的放电中心。当硅酸钠浓度超过8g/L时，阳极极化受到抑制，使膜层表面击穿变得更加困难，膜层厚度增加的趋势就会越来越缓慢。
如图2所示，随着硅酸钠浓度增加，膜层截面显微硬度呈现先增加后减小的趋势，当硅酸钠浓度为8g/L时，显微硬度达到最大值(1149HV)。主要原因是硅酸钠浓度较低时，微弧氧化反应比较缓慢，生成的膜层比较均匀，致密层所占比例较高，膜层截面显微硬度呈现增加的趋势；随着硅酸钠浓度的升高，当达到一定值后，微弧氧化反应速度快速增加，膜层中致密层的厚度就会减少，这时膜层截面显微硬度呈现减小的趋势。
如图3所示，膜层厚度随氢氧化钾浓度增加而增加，浓度为0.5g/L时，膜厚为170μm，当浓度为2.5g/L时，膜厚为223μm，当氢氧化钾浓度为3.5g/L时，膜层受到严重的破坏，出现不均匀的烧蚀。主要原因是氢氧化钾作为添加剂的作用是提高电解液的导电性，伴随浓度的升高，样品表面的电流密度增大，促进微弧氧化反应的进行，当浓度增加到一定值，样品表面电流密度过大，微弧氧化反应过于剧烈，导致膜层被破坏。故氢氧化钾的优化浓度范围为0.5～2.5g/L。
如图4所示，随氢氧化钾浓度升高，膜层截面显微硬度逐渐增加，当浓度为2.5g/L时，截面显微硬度达1152HV。主要原因是氢氧化钾浓度的升高，使样品表面的微弧放电更加均匀，形成的致密层更加均匀，所占比例更高。
如图5和图6所示，随着钨酸钠浓度的升高，膜层厚度没有显著变化，但膜层截面显微硬度明显提高。如图7所示，膜层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3组成。钨酸钠浓度为2g/L的膜层中γ-Al2O3衍射峰多于钨酸钠浓度为5g/L的膜层，钨酸钠浓度为5g/L的膜层中α-Al2O3衍射峰多于钨酸钠浓度为2g/L的膜层。这是由于钨酸钠浓度的升高使α-Al2O3点阵中含有过量铝离子被氧化，使膜层中α-Al2O3相对增多。α-Al2O3稳定性强，硬度高，所以使膜层更加致密，硬度耐磨性提高。图8和图9为2g/L和5g/L钨酸钠浓度形成的膜层横截面形貌的对比，随着钨酸钠浓度的提高膜层致密性得到提升。
如图10所示，占空比10％条件下生成的膜层磨损量随时间延长而增大，呈近似线性关系。占空比20％、30％、40％、50％条件下生成的膜层磨损量随着时间的延长，呈现磨损量增加的速率逐渐变小的特点，磨损失重率逐渐降低并趋近于零。区别在于占空比30％、40％、50％条件下生成的膜层初期磨损量较大，而占空比20％条件下生成的膜层在摩擦磨损试验整个过程中磨损量比较稳定，并保持在较低的水平。可见，占空比20％条件下生成的膜层耐磨性能较好。这是因为占空比越高，微弧氧化反应过程中作用在膜层上的能量越高，作用时间越长，使得膜层放电孔洞越多，均匀性更强，如图11。在摩擦磨损过程中，膜层表面孔洞能够储存少量的润滑油，从而改善了摩擦表面间的润滑状态，降低了磨损量。但占空比过大，会使膜层生长过程中能量过高，导致膜层表面粗糙度变大，如图12。因此，占空比30％、40％、50％条件下生成的膜层磨损量较大。
磨损量由大到小的电源频率顺序依次为100Hz、300Hz、700Hz、1000Hz、500Hz。500Hz生成的膜层磨损量最小(1.3mg)，在整个摩擦磨损的过程中磨损状态稳定，磨损速率逐渐减小，随着磨损时间的延长，磨损量趋于恒定。100Hz生成的膜层磨损量最大，磨损初期近似呈线性关系增长，25h后，磨损速率稍有下降，伴随时间延长磨损量仍在继续增加。300Hz生成的膜层磨损量较100Hz稍小，磨损速率变化规律与100Hz相似。700Hz和1000Hz生成的膜层磨损量随着时间的延长不断增加，近似呈线性关系。
在电流密度和占空比一定的条件下，频率越高，击穿膜层的单脉冲能量越低，这样不利于膜层的生长，所得膜层的厚度较低，1000Hz生成的膜层厚度仅为25μm，所以膜层耐磨性能较低。而频率过低，单脉冲能量过高，生成的膜层表面粗糙度较大，疏松层所占比例较大，如图13，磨损量也较高。所以，频率过大、过小对膜层的厚度、致密性及耐磨性能均不利。选择500Hz的频率能够获得厚度适中，致密性较好，耐磨性能较好的膜层。
如图14所示，电源负向电压逐渐增大，膜层厚度增大，而伴随正向电压的增大，膜厚呈现先增大后减小的趋势。通过扫描电镜观察到，当正向电压达500v以上时，反应异常剧烈，膜层受到严重破坏，致密度严重下降，甚至出现局部脱落和裂纹的现象，见图15和图16，因此膜层厚度减小。这是因为正向电压的主要作用是加快铝合金基体的电解，提高电解液中阴离子向试样表面的迁移速度以及等离子体的离子电流和电子电流密度，在电场和热等离子体作用的条件下，电解液中的Al3+和OH—结合形成Al(OH)3沉积在试样表面并进一步转化为Al2O3，既正向电压的升高，加速了膜层内外物质的输送，而正向电压过高，会导致反应速度过快，出现膜层与基体结合强度不高，甚至脱落裂纹的现象。伴随负向电压升高，膜层厚度显著增加，增加速率明显大于正向电压，这是由于负向电压升高引起的电流密度的变化要比正向电压变化显著的多。当负向电压加载到试样表面时，铝合金试样处于阴极状态，试样表面的水电解产生氢气并吸附在试样表面形成气膜，气膜加速等离子体的形成。同时试样表面的电子密度较正向电压加载时增大，电子电流增强。在电场的作用下，电子通过膜层引发强烈的电子雪崩，增加了膜层孔洞数量，扩大了膜层物质输送的通道，从而强化了正向电压的作用，使膜层厚度明显增加。而膜层厚度增加会导致膜层表面粗糙度急剧增加，在本实验参数条件下，负向电压140V生成的膜层表面粗糙度高达5.0224μm，进而降低了膜层的耐磨性能。
如图17和图18所示，不同正电压的条件，随着负电压的升高，膜层厚度和表面粗糙度逐渐升高，且当负电压为120V，正电压400V生成的膜层厚度大于正电压450V生成的膜层，这是源于正电压与负电压的对膜层生长作用机理的不同，导致只有当正向电压与负向电压配比合适，即膜层内外物质输送的速度与膜层物质输送通道的数量配比恰当的时候，才能够得到厚度适中，膜层表面粗糙度较低，致密度较高的膜层，见图19。正向电压400V、负向电压120V生成的膜层在摩擦磨损试验中，磨损状态稳定，磨损量在30h后稳定在1mg左右。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺，采用双极性脉冲微弧氧化电源，其特征在于：
电解液的组成成分及浓度为：硅酸钠8g/L、氢氧化钾2.5g/L、钨酸钠5g/L、乙二胺四乙酸二钠2g/L；
电参数为正向电压400V、负向电压120V、占空比20％、频率500Hz。
2.根据权利要求1所述的ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺，其特征在于：反应时间为60分钟。
3.根据权利要求1所述的ZL109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺，其特征在于：所述电解液的反应温度为30～40℃。
CN201710074049.5A 2017-02-10 2017-02-10 Zl109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺 Pending CN107059089A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710074049.5A CN107059089A (zh) 2017-02-10 2017-02-10 Zl109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710074049.5A CN107059089A (zh) 2017-02-10 2017-02-10 Zl109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN107059089A true CN107059089A (zh) 2017-08-18

Family

ID=59598759

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710074049.5A Pending CN107059089A (zh) 2017-02-10 2017-02-10 Zl109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107059089A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109778280A (zh) * 2019-04-02 2019-05-21 中国工程物理研究院材料研究所 一种降低铝合金焊接接头腐蚀速率的方法
CN110804752A (zh) * 2019-11-18 2020-02-18 福建永强力加动力设备有限公司 一种内燃机缸体内表面处理工艺
CN113106516A (zh) * 2021-03-15 2021-07-13 中国科学院金属研究所 一种通过调控负向电参数提高铝合金微弧氧化膜致密性的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102605402A (zh) * 2012-03-28 2012-07-25 东南大学 铝合金制品表面耐磨增韧型复合陶瓷层的制备方法
CN104087996A (zh) * 2014-07-28 2014-10-08 吕鹏翔 铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法
CN105463548A (zh) * 2015-11-03 2016-04-06 西华大学 铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102605402A (zh) * 2012-03-28 2012-07-25 东南大学 铝合金制品表面耐磨增韧型复合陶瓷层的制备方法
CN104087996A (zh) * 2014-07-28 2014-10-08 吕鹏翔 铝合金表面易洁性微弧氧化陶瓷膜层及其制备方法
CN105463548A (zh) * 2015-11-03 2016-04-06 西华大学 铝合金缸体内表面陶瓷层及其工艺方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王浩: "微/纳米颗粒增强铝合金微弧氧化层的制备和性能研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 *
白基成等: "双极性微弧氧化脉冲电源加工LY12铝合金工艺试验研究", 《中国机械工程》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109778280A (zh) * 2019-04-02 2019-05-21 中国工程物理研究院材料研究所 一种降低铝合金焊接接头腐蚀速率的方法
CN110804752A (zh) * 2019-11-18 2020-02-18 福建永强力加动力设备有限公司 一种内燃机缸体内表面处理工艺
CN113106516A (zh) * 2021-03-15 2021-07-13 中国科学院金属研究所 一种通过调控负向电参数提高铝合金微弧氧化膜致密性的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Matykina et al. Recent advances in energy efficient PEO processing of aluminium alloys
Xie et al. Wear and corrosion resistant coatings on surface of cast A356 aluminum alloy by plasma electrolytic oxidation in moderately concentrated aluminate electrolytes
Attarzadeh et al. New promising ceramic coatings for corrosion and wear protection of steels: a review
JP5743883B2 (ja) 構造化クロム固体粒子層およびその生産方法
Zhang et al. Preparation of wear and corrosion resistant micro-arc oxidation coating on 7N01 aluminum alloy
Wang et al. Influence of nano-SiC on microstructure and property of MAO coating formed on AZ91D magnesium alloy
Li et al. Microstructure and wear resistance of micro-arc oxidation ceramic coatings prepared on 2A50 aluminum alloys
Xi et al. Improved corrosion and wear resistance of micro-arc oxidation coatings on the 2024 aluminum alloy by incorporation of quasi-two-dimensional sericite microplates
CN101522957A (zh) 金属的陶瓷被膜涂布方法和用于该方法的电解液以及陶瓷被膜和金属材料
CN107059089A (zh) Zl109铝合金微弧氧化耐磨陶瓷层工艺
Aliofkhazraei et al. Fabrication of TiC/WC ultra hard nanocomposite layers by plasma electrolysis and study of its characteristics
Li et al. Preparation and properties of micro-arc oxidation self-lubricating composite coatings containing paraffin
Karakurkchi et al. Electrodeposition of iron–molybdenum–tungsten coatings from citrate electrolytes
Wei et al. Corrosion and wear resistance of AZ31 Mg alloy treated by duplex process of magnetron sputtering and plasma electrolytic oxidation
Cheng et al. Effect of NaOH on plasma electrolytic oxidation of A356 aluminium alloy in moderately concentrated aluminate electrolyte
Priyadarshi et al. A review on mechanical, tribological and electrochemical performance of ceramic particle-reinforced Ni-based electrodeposited composite coatings
Qu et al. Fabrication of Ni-CeO2 nanocomposite coatings synthesised via a modified sediment Co-deposition process
Hussein et al. Production of high quality coatings on light alloys using plasma electrolytic oxidation (PEO)
Fan et al. Investigation on the effect and growth mechanism of two-stage MAO coating
Yu et al. Influence of pulse parameters on the morphology and corrosion resistance of nickel-graphene composite coating
JP2004277812A (ja) Ａｌ系複合部材とその製造方法
Subbotina et al. Structure and properties of microarc oxide coatings on high-temperature aluminum alloy
TWI489008B (zh) 具耐磨潤滑特性之金屬基材及其製造方法
Petkov et al. Effects of diamond nanoparticles on the microstructure, hardness and corrosion resistance of chromium coatings
CN101418460B (zh) Mg-Li合金表面微弧氧化/化学转化复合涂层的制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170818