CN108441912A - 铝合金表面Al3C4-Al2O3-ZrO2耐磨复合涂层的制备方法 - Google Patents

铝合金表面Al3C4-Al2O3-ZrO2耐磨复合涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金表面Al3C4‑Al2O3‑ZrO2耐磨复合涂层的制备方法。所述方法采用单槽结构电解池，电解液为硝酸锆、尿素、甲酰胺和丙三醇组成的混合溶液。在阴极一侧，使用与工件尺寸相似的氧化铝陶瓷片进行覆盖，放电过程中可起到不导电屏蔽作用，降低阴极周围因边缘效应导致的电场畸变，使得阴极放电更加均匀。通过对电解池施加直流电压或脉冲电压，在阴极表面快速形成连续、均匀的气膜，可以在铝合金表面引发连续的等离子微弧放电，在其表面形成一层稳定、均匀的硬质陶瓷涂层。本发明能够在铝合金表面制备出硬度高、摩擦系数小和磨损率低的耐磨耐蚀涂层，有效拓宽了铝合金在交通、能源等领域的应用。

Description

铝合金表面Al3C4-Al2O3-ZrO2耐磨复合涂层的制备方法
技术领域
本发明属于金属表面处理技术领域，涉及一种铝合金表面Al3C4-Al2O3-ZrO2耐磨复合涂层的制备方法。
背景技术
铝合金由于具有高强度、高韧度、轻质结构、加工性好、易于回收等特点，广泛应用于交通、建材、航空、航天等民用及军工领域，在国民经济和国防建设中具有不可替代的重要作用。由于铝合金本身的活性较高，表面通常会形成一层较薄的致密氧化膜，虽然可以起到一定的保护基体的作用，但是，在滑动接触工况下，反复的机械作用使得表面致密氧化膜剥落，活性较高的裸露基体与钢等配副材料发生反应，导致基体的粘着磨损及向配副的材料转移，也使得摩擦系数较高且不稳定。此外，铝合金的硬度相对较低，在滑动摩擦过程中容易发生粘着磨损，因而耐磨性相对较差，严重限制了铝合金在摩擦系统和摩擦接触构件中的应用。
为了提高铝合金表面的耐磨耐蚀性，通常采用热喷涂、物理气相沉积、化学镀或电镀等手段来制备复合涂层来改善铝合金耐磨耐蚀性。但这些方法存在工艺繁琐、成本高、难于控制等缺点，不利于实际应用。等离子电解沉积技术(plasma electrolyticdeposition)，是一种直接在铝、镁、钛等合金表面沉积陶瓷涂层的新技术。基本过程为将待处理工件放入盛有特定电解液的电解槽内，并与电源负极相连作为阴极，一般采用石墨或铂与电源正极相连作为阳极。接通电源后，在电场作用下，工件表面会发生电化学、热化学、等离子体化学等一系列复杂的物理化学反应，最终形成陶瓷涂层。等离子体电解沉积涂层具有与基体结合好、硬度高、耐磨抗腐等优异特性。文献1(M.Aliofkhazraei,et al,Carburizing of low-melting-point metals by pulsed nanocrystalline plasmaelectrolytic carburizing,Surface and Coatings Technology[J],202(2008)5493-5496.)利用阴极等离子电解沉积技术在6082铝合金上制备了Al3C4涂层，展现出优异的耐磨性。文献2(J.Wu,et al,Anti-corrosion layer prepared by plasma electrolyticcarbonitriding on pure aluminum[J],Applied Surface Science,347(2015)673-678.)利用阴极等离子电解沉积技术在1060铝合金上制备了复合陶瓷涂层。研究结果表明，复合陶瓷涂层的耐蚀性与基体相比有了一定的提高。但是上述采用阴极等离子电解沉积技术在铝合金表面制备复合陶瓷涂层仍然存在平均摩擦系数高(0.4～0.5)，涂层厚度过低(2～3μm)等问题。
发明内容
本发明针对铝及铝合金表面硬度低，摩擦系数高以及耐磨性差等问题，提供一种结合强度高、具有优异耐磨耐蚀性的铝合金表面Al3C4-Al2O3-ZrO2耐磨复合涂层的制备方法。
本发明的技术方案是：
铝合金表面Al3C4-Al2O3-ZrO2耐磨复合涂层的制备方法，具体步骤为：
步骤1，将预进行等离子电解沉积的铝合金部件砂纸打磨光滑，打磨后的铝合金浸入乙醇溶液中超声处理，干燥，得到预处理的铝合金；
步骤2，铝合金表面一侧采用氧化铝陶瓷片覆盖并放置于阴极，在铝合金和陶瓷片上部打一圆孔，通过双螺母左右配合进行固定，使得工件与陶瓷片紧密结合；
步骤3，将阴极和阳极的间距控制在60～80mm，面积比控制在6～8，对铝合金进行阴极等离子电解处理，以尿素-丙三醇体系为电解液，设置电压为150～160V，将施加电压升至180V～200V，保持时间在10～15min，占空比控制在40～55％，频率控制在50Hz～400Hz，所述的电解液中，尿素的浓度为300～350g/L，甲酰胺的浓度为180～200g/L，丙三醇的浓度为100～150g/L，硝酸锆的浓度为15～20g/L，硝酸铵的浓度为3～5g/L，氯化钾的浓度为10～20g/L。
优选地，步骤1中，所述的超声时间为10～15min。
优选地，步骤2中，所述的圆孔的直径为3～4mm。
优选地，步骤3中，所述的升压速率为5～7V/min。
阴极等离子电解处理过程中，氧化铝陶瓷片在等离子电解沉积过程中可以产生如下效应：(1)在等离子放电过程中，等离子体温度高达3000℃，极易将铝合金熔化，而采用氧化铝陶瓷片可以减小了等离子放电面积，降低了阴极本身温度，防止铝合金被熔化；(2)由于氧化铝陶瓷片本身不导电的特性，在两电极间起到不导电屏蔽作用，可以降低阴极周围因边缘效应导致的电场畸变，使得阴极放电更加均匀。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)涂层直接沉积在金属表面，与基体结合强度好，铝合金打磨清洗后就可以处理，无电镀，化学镀等繁琐的预处理。
(2)等离子电解沉积工艺简单、效率高、不受工件形状的限制，并且采用的电解液污染小、成本低、可重复性好。
(3)在涂层中添加氧化锆之后，涂层的耐蚀性得到了显著提高，与基体相比，电流密度降低近两个数量级。并且，由于涂层表面的氧化锆颗粒起到了润滑减摩的作用，摩擦系数降低到0.18左右，具有低磨损率(0.021mm3/Nm)以及良好的耐蚀性能(腐蚀电流密度8.82×10-6A/cm2)，磨损率与基体相比下降了93.3％。
(4)采用氧化铝陶瓷片覆盖于阴极背面，起到不导电屏蔽作用，可以降低阴极周围因边缘效应导致的电场畸变，使得阴极放电更加均匀。
附图说明
图1为所采用电解池结构示意图。
图2为不同电解液下制备复合涂层的摩擦系数示意图。
图3为不同电解液下制备复合涂层的极化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
实施例1
(1)采用图1所示电解池结构，将预进行等离子电解沉积的铝合金部件砂纸打磨光滑，将打磨后的铝合金浸入乙醇溶液中超声处理，干燥，得到预处理后的铝合金；
(2)铝合金表面一侧采用氧化铝陶瓷片覆盖并放置于阴极，在铝合金和陶瓷片上部打一圆孔，通过双螺母左右配合进行固定，使得工件与陶瓷片紧密结合。将阴极和阳极的间距控制在70mm，面积比控制在7；
(3)采用尿素-丙三醇体系为电解液，尿素的浓度为325g/L，甲酰胺的浓度为190g/L，丙三醇的浓度为125g/L，硝酸锆的浓度为17g/L，硝酸铵的浓度为4g/L，氯化钾的浓度为15g/L；
(4)对铝合金进行阴极等离子电解处理，所施加电压为155V，之后以6V/min的速率将施加电压升至190V。保持时间在12min。占空比控制在50％，频率控制在250Hz。反应时使用水冷处理，使反应时溶液温度在40℃左右；
测得复合涂层的厚度在60μm。在6N的载荷下，以碳化硅钢球为对磨材料，在摩擦试验机上进行30min往复式摩擦磨损试验，测得平均摩擦系数为0.21，磨损率为0.034mm3/Nm。在3.5％NaCl溶液中进行电动位极化曲线测试，腐蚀电流为5.82×10-6A/cm2。
实施例2
(1)采用图1所示电解池结构，将预进行等离子电解沉积的铝合金部件砂纸打磨光滑，将打磨后的铝合金浸入乙醇溶液中超声处理，干燥，得到预处理后的铝合金；
(2)铝合金表面一侧采用氧化铝陶瓷片覆盖并放置于阴极，在铝合金和陶瓷片上部打一圆孔，通过双螺母左右配合进行固定，使得工件与陶瓷片紧密结合。将阴极和阳极的间距控制在60mm，面积比控制在6；
(3)采用尿素-丙三醇体系为电解液，尿素的浓度为300g/L，甲酰胺的浓度为180g/L，丙三醇的浓度为100g/L，硝酸锆的浓度为15g/L，硝酸铵的浓度为3g/L，氯化钾的浓度为10g/L；
(4)对铝合金进行阴极等离子电解处理，所施加电压为150V，之后以5V/min的速率将施加电压升至180V。保持时间在10min。占空比控制在40％，频率控制在50Hz。反应时使用水冷处理，使反应时溶液温度在40℃左右；
测得复合涂层的厚度在45μm。在6N的载荷下，以碳化硅钢球为对磨材料，在摩擦试验机上进行30min往复式摩擦磨损试验，测得平均摩擦系数为0.26，磨损率为0.039mm3/Nm。在3.5％NaCl溶液中进行电动位极化曲线测试，腐蚀电流为4.38×10-6A/cm2。
实施例3
(1)采用图1所示电解池结构，将预进行等离子电解沉积的铝合金部件砂纸打磨光滑，将打磨后的铝合金浸入乙醇溶液中超声处理，干燥，得到预处理后的铝合金；
(2)铝合金表面一侧采用氧化铝陶瓷片覆盖并放置于阴极，在铝合金和陶瓷片上部打一圆孔，通过双螺母左右配合进行固定，使得工件与陶瓷片紧密结合。将阴极和阳极的间距控制在80mm，面积比控制在8；
(3)采用尿素-丙三醇体系为电解液，尿素的浓度为350g/L，甲酰胺的浓度为200g/L，丙三醇的浓度为150g/L，硝酸锆的浓度为20g/L，硝酸铵的浓度为5g/L，氯化钾的浓度为20g/L。
(4)对铝合金进行阴极等离子电解处理，所施加电压为160V，之后以7V/min的速率将施加电压升至200V。保持时间在15min。占空比控制在55％，频率控制在400Hz。反应时使用水冷处理，使反应时溶液温度在40℃左右。
测得复合涂层的厚度在70μm。在6N的载荷下，以碳化硅钢球为对磨材料，在摩擦试验机上进行30min往复式摩擦磨损试验，测得平均摩擦系数为0.18，磨损率为0.021mm3/Nm。在3.5％NaCl溶液中进行电动位极化曲线测试，腐蚀电流为8.82×10-6A/cm2。
对比例1
本对比例与实施例1基本一样，唯一不同的是所述电解液中没有添加硝酸锆与硝酸铵。
测得复合涂层的厚度在60μm。在6N的载荷下，以碳化硅钢球为对磨材料，在摩擦试验机上进行30分钟的往复式摩擦磨损试验，测得平均摩擦系数为0.34，磨损率为0.028mm3/Nm。在3.5％NaCl溶液中进行电动位极化曲线测试，腐蚀电流为4.42×10-5A/cm2。
图2中，a为在电解液中添加了硝酸锆和硝酸铵制备的复合涂层的摩擦系数示意图，b为在电解液中未添加硝酸锆和硝酸铵制备的复合涂层的摩擦系数示意图。涂层a的摩擦系数平均为0.18，涂层b的摩擦系数平均为0.34明显高于涂层a。
图3中，a为在电解液中添加了硝酸锆和硝酸铵制备的复合涂层的极化曲线示意图，b为在电解液中未添加硝酸锆和硝酸铵制备的复合涂层的极化曲线示意图。涂层a的腐蚀电流密度与涂层b相比提高了1个数量级。
对比例2
本对比例与实施例1基本一样，唯一不同的是所述电解液中没有添加硝酸铵。
在等离子电解沉积过程中，由于硝酸锆形成了氢氧化锆凝胶，导致阴极表面不能正常放电。因此，利用此电解液无法在铝合金上制备陶瓷涂层。
对比例3
本对比例与实施例1基本一样，唯一不同的是所述电解液中硝酸铵的添加量为15g。
在等离子电解沉积过程中，由于电解液中无机盐的添加量过大使得阴极表面气膜被击穿时的电流过大，导致铝合金因温度过大而溶解。因此，利用此电解液无法在铝合金表面上制备陶瓷涂层。
对比例4
本对比例与实施例1基本一样，唯一不同的是所述电解液中硝酸锆的添加量为30g。
在等离子电解沉积过程中，由于电解液中硝酸铵添加量有限，无法抑制氢氧化锆的形成导致溶液形成凝胶状，使得阴极表面不能正常放电。因此，利用此电解液无法在铝合金表面上制备陶瓷涂层。

Claims (4)

1.铝合金表面Al3C4-Al2O3-ZrO2耐磨复合涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1，将预进行等离子电解沉积的铝合金部件砂纸打磨光滑，打磨后的铝合金浸入乙醇溶液中超声处理，干燥，得到预处理的铝合金；
步骤2，铝合金表面一侧采用氧化铝陶瓷片覆盖并放置于阴极，在铝合金和陶瓷片上部打一圆孔，通过双螺母左右配合进行固定，使得工件与陶瓷片紧密结合；
步骤3，将阴极和阳极的间距控制在60～80mm，面积比控制在6～8，对铝合金进行阴极等离子电解处理，以尿素-丙三醇体系为电解液，设置电压为150～160V，将施加电压升至180V～200V，保持时间在10～15min，占空比控制在40～55％，频率控制在50Hz～400Hz，所述的电解液中，尿素的浓度为300～350g/L，甲酰胺的浓度为180～200g/L，丙三醇的浓度为100～150g/L，硝酸锆的浓度为15～20g/L，硝酸铵的浓度为3～5g/L，氯化钾的浓度为10～20g/L。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的超声时间为10～15min。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的圆孔的直径为3～4mm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的升压速率为5～7V/min。
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