CN109440166A - 一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法 - Google Patents

Abstract

一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法，将处理过的镁锂合金样品浸入复合电解液中，搅拌并冷却，用微弧氧化电源设备对镁合金进行氧化处理，将经过预处理后的镁锂合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼作阴极，在镁合金微弧氧化过程中实现一步原位封孔，从而在镁合金表面获得低空隙和高耐蚀耐磨性的微弧氧化复合陶瓷膜；得到的复合膜层具有硬度更高，绝缘性能更好，耐腐蚀性能、耐磨性能和抗氧化性能更强的特点。

Description

一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法

技术领域

本发明属于镁合金表面处理技术，具体涉及一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法，在镁锂合金表面进行微弧氧化和原位封孔复合工艺，获得低空隙、高耐蚀性、高耐磨性的陶瓷复合膜。

背景技术

镁锂合金是目前密度最小的合金，具有很高的比刚度、比强度和优良的抗震性能，抗高能粒子穿透性能。由于镁锂合金的密度远小于新型航空用铝锂合金，因此镁锂合金结构材料在航空航天、兵器工业、汽车、3C产品、医疗器械相关领域具有广泛的发展前景。轻量化材料和器件的发展是解决能源短缺的重要措施之一。镁合金的低密度、储量大以及优良的综合性能使其成为当下最有发展前景的新型工程材料，而镁锂合金超轻合金易加工变形并且密度低，在大量的工业领域里将会发挥较大的作用，特别是在航空航天和电子工业等方面更加受到人们的青睐。但是镁锂合金的化学和电化学活性高，耐蚀性能极差。在大气中镁锂合金零件表面生成的氧化膜疏松多孔，极易发生大气腐蚀和接触腐蚀。此外，镁锂合金质地柔软，硬度较低，表面出较差的耐磨性，这些都大大限制了其在民用和国防领域的应用。

尽管国内外通过合金化以及使用高纯合金使得其耐蚀性得到了一定程度上的提高，但仍不能满足实际工况对镁锂合金制品性能的要求，镁锂合金的表面处理能够以经济有效的方式改变膜层的表面形态和组成，起到良好的耐磨耐腐蚀作用，提供长期有效的保护，为其商业化应用奠定了基础。因此选择不同表面处理工艺提高耐蚀性，仍是目前镁锂合金制品在进入实际应用前的必要工序。镁合金的表面处理方法目前常用的主要有化学处理、阳极氧化和金属镀层(电镀、化学镀),其它处理方法有扩散处理、激光表面合金改性、气相沉积、有机涂层、热喷涂和微弧氧化等。在众多表面处理工艺中，微弧氧化(micro arcoxidation,MAO)是在阳极氧化基础上发展起来的一项表面处理技术，其对设备要求较低，电解液无污染，而且所生成膜层与基体的结合力强，尺寸变化小，使镁合金耐磨损、耐腐蚀、抗热冲击及绝缘性能都得到了很大改善。然而在微弧氧化氧化的处理过程中，试样表面通常会有持续激烈的火花放电和大量的气泡析出，致使陶瓷层中形成微孔和微裂纹，从而导致耐蚀、耐磨效果受到限制，因此，必须对微弧氧化膜进行封孔后处理。

现有的技术和工艺大多采用微弧氧化后处理来尽量封闭这些微孔和缺陷。然而通过这些后处理获得的封孔膜层大多会显著改变镁合金微弧氧化膜层原有的优异特性，同时这些后处理封孔工艺大多存在工艺复杂、成本高、以及污染环境等方面的问题。因此，开发一种新技术能够在获得微弧氧化膜层的过程中，也同时能够达到原位一步封孔的效果，将会极大地推动微弧氧化技术在镁锂合金关键零部件表面防护方面的实际推广应用。

发明内容

为了解决现有镁锂合金微弧氧化膜层后处理封孔工艺的上述缺点，本发明的目的在于提出一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法，在镁合金微弧氧化过程中实现一步原位封孔，从而在镁合金表面获得低空隙和高耐蚀耐磨性的微弧氧化复合陶瓷膜；通过将SiC这种具有高强度，高硬度，良好的抗氧化性能的颗粒引入到镁锂合金表面的微弧氧化处理中，将SiC颗粒直接加入到微弧氧化电解液中，利用SiC颗粒在微弧氧化膜层中的吸附和微孔的机械捕获作用，以及微弧氧化过程中的弧光放电产生的瞬时高温高压将SiC颗粒锻烧固化，最终实现原位封孔效果，获得致密的微弧氧化复合膜层。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法，包括以下步骤：

(1)、样品预处理：用500～1000#的水砂纸依次打磨镁锂合金样品表面至其粗糙度Ra≈0.18μm；采用洗涤剂对打磨后样品表面进行清洗以去掉油污，然后用蒸馏水冲洗；

(2)、复合电解液配制：配置电解液前，将SiC颗粒进行酸洗和碱洗，以去除杂质和油污；微弧氧化处理所用的基础电解液由蒸馏水、Na₂SiO₄·9H₂O和NaOH组成，Na₂SiO₄·9H₂O和NaOH在蒸馏水中的加入量分别为20g/L和5-10g/L，辅助添加剂的加入量为2g/L的Na₂WO₄、0.6g/L的Na₂MoO₄和10ml/L的C₆H₅Na₃O₇，充分搅拌溶解后，在电解液中添加2-4g/L的SiC颗粒，并充分搅拌，即可获得所用的复合电解液；

(3)、微弧氧化处理：将处理过的镁锂合金样品浸入复合电解液中，搅拌并冷却，用微弧氧化电源设备对镁合金进行氧化处理，将经过预处理后的镁锂合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼作阴极；电源设定频率为200Hz，占空比10％，电压为300V～400V；微弧氧化处理过程中电解液温度始终保持在25～30℃之间，时间为5～10min；微弧氧化处理结束后，用自来水将样品冲洗干净，自然晾干，即可得到厚度约为10μm的微弧氧化复合膜层，氧化膜表面光滑。

所述的SiC颗粒尺寸为40nm或3.5μm。

采用本发明的方法在镁锂合金表面进行微弧氧化处理，具有以下优点：

1.本发明所提供的方法克服了镁锂合金微弧氧化膜后处理封孔工艺复杂、成本高以及污染环境等缺点。在不破坏微弧氧化膜层基本性能的前提下，通过将SiC颗粒的引入，在镁锂合金微弧氧化过程中实现了一步原位的封孔效果，同时工艺稳定，大大简化了传统微弧氧化膜的封孔工序，适于工业化生产。

2.与现有技术相比，本发明技术方案所采用的电解液以硅酸盐系为主，是不含铬、氟等物质的安全环保型电解液，而且电解液组成简单、环保，复合膜层硬度更高，绝缘性能更好，耐腐蚀性能、耐磨性能和抗氧化性能更强的特点。

附图说明

图1是本发明实施例一微弧氧化装置的结构示意图。

图2是本发明实施例一镁锂合金在添加不同粒径SiC颗粒的微弧氧化处理前后表面复合膜层的截面形貌照片，图2(a)未添加SiC颗粒的单一微弧氧化涂层；图2(b)添加了2g/L粒径为40nm的SiC颗粒复合膜层；图2(c)添加了2g/L粒径为3.5μm的SiC颗粒复合膜层。

图3是本发明实施例一镁锂合金在添加SiC颗粒的微弧氧化处理后表面复合膜层的XRD图。

图4是本发明实施例一镁锂合金及其复合材料在涂层处理前后的磨损性能结果。

图5是本发明实施例一镁锂合金及其复合材料在涂层处理前后的腐蚀性能结果。

具体实施方式

实施例一

处理样品为铸造后挤压态LA143镁锂合金，大小为Φ16mm×2mm的片状，其具体操作步骤为：

1、样品预处理：用500～1000#的水砂纸依次打磨样品表面至其粗糙度Ra≈0.18μm；采用洗涤剂对打磨后样品表面进行清洗以去掉油污，然后用蒸馏水冲洗。

2、复合电解液配制：配置电解液前，需要将SiC颗粒进行酸洗和碱洗，以去除杂质和油污。微弧氧化处理所用的基础电解液由20g/L的Na₂SiO₄·9H₂O和5g/L的NaOH组成，辅助添加剂有2g/L的Na₂WO₄、0.6g/L的Na₂MoO₄、10ml/L的C₆H₅Na₃O₇，充分搅拌溶解后，在基础电解液中添加粒径为40nm的SiC颗粒2-4g/L，并充分搅拌，即可获得所用的复合电解液。

3、微弧氧化处理：参照图1，将经过前处理的镁锂合金LA143样品浸入所述复合电解液中，搅拌并冷却，用微弧氧化电源设备对镁合金进行氧化处理，将经过预处理后的镁锂合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼作阴极；电源设定频率为200Hz，占空比10％，电压为350V；微弧氧化处理过程中电解液温度始终保持在25～30℃之间，时间为5min；微弧氧化处理结束后，用自来水将样品冲洗干净，自然晾干，即可得到厚度约为10～15μm的微弧氧化复合膜层，氧化膜表面致密光滑。

微弧氧化后的样品，不经过任何后处理，采用扫描电子显微镜(SEM)观察微弧氧化膜封孔效果，其截面形貌对比如图2所示；采用XRD测试微弧氧化复合膜层的晶体结构和成分，检测结果如图3所示；采用模拟海水浸泡腐蚀试验评价其耐蚀性能；采用销-盘式摩擦磨损仪评价其耐磨性能。磨损失重和腐蚀失重测试结果如图4和图5所示。

为了对比，在相同氧化条件下于未添加纳米SiC颗粒的硅酸盐基础电解液中对样品进行微弧氧化处理，氧化时间5min，所得氧化膜厚度约为20μm，表面均匀光滑，但单一微弧氧化涂层内部缺陷明显较多，通过添加40nm的SiC颗粒制备的复合涂层的内部孔洞缺陷明显减少，耐磨耐蚀性得到了显著提升。复合涂层的摩擦系数降低，磨损失重仅为基体合金的9wt.％，是单一微弧氧化涂层的28wt.％；腐蚀电位正移，腐蚀电流密度降低，腐蚀失重仅为基体合金的28wt.％，是单一微弧氧化涂层的35wt.％。

实施例二

处理样品为铸造后挤压态LA143镁锂合金，大小为Φ16mm×2mm的片状，其具体操作步骤为同实施例一。

与实施例一不同之处在于：

所添加的SiC颗粒粒径为3.5μm，在微弧氧化处理结束后，用自来水将样品冲洗干净，自然晾干，即可得到厚度约为12μm的微弧氧化复合膜层，氧化膜表面光滑，致密度相比添加纳米级SiC颗粒制成的复合膜层有所降低，相比未添加SiC颗粒的普通微弧氧化涂层致密度提高。相比添加40nm粒径的SiC颗粒的复合膜层的耐磨性有所提升(磨损失重为基体合金的6wt.％，是单一微弧氧化涂层的20wt.％)，耐蚀性有所下降(腐蚀失重为基体合金的32wt.％，是单一微弧氧化涂层的40wt.％)。

实施例三

处理样品为铸造后挤压态的，添加了5％质量分数的YAl₂颗粒增强LA143镁锂合金基复合材料YAl_2p/LA143，大小为Φ16mm×2mm的片状，其具体操作步骤同实施例一或实施例二。

与实施例一与实施例二不同之处在于：

所采用的基体材料为添加了5wt.％的YAl₂颗粒制备的镁锂基复合材料，与基体合金相比，复合材料的力学性能得到了显著的提升，然而腐蚀和磨损性能相比基体合金虽然有所提高，但仍需要表面处理才能满足工程应用。通过本处理工艺同样在镁锂基复合材料表面获得了致密光滑的复合涂层，由于增强颗粒没有参与涂层的生长，所以复合材料表面的涂层结构性能与在镁锂合金表面制得的复合涂层相当，该涂层同样使复合材料的耐蚀耐磨性得到了显著的改善。复合涂层磨损失重仅为镁锂基复合材料的8wt.％(SiC尺寸为3.5μm)，腐蚀失重仅为基体材料的30wt.％(SiC尺寸为40nm)。

Claims (2)

1.一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、样品预处理：用500～1000#的水砂纸依次打磨镁锂合金样品表面至其粗糙度Ra≈0.18μm；采用洗涤剂对打磨后样品表面进行清洗以去掉油污，然后用蒸馏水冲洗；

(2)、复合电解液配制：配置电解液前，将SiC颗粒进行酸洗和碱洗，以去除杂质和油污；微弧氧化处理所用的基础电解液由蒸馏水、Na₂SiO₄·9H₂O和NaOH组成，Na₂SiO₄·9H₂O和NaOH在蒸馏水中的加入量分别为20g/L和5-10g/L，辅助添加剂的加入量为2g/L的Na₂WO₄、0.6g/L的Na₂MoO₄和10ml/L的C₆H₅Na₃O₇，充分搅拌溶解后，在电解液中添加2-4g/L的SiC颗粒，并充分搅拌，即可获得所用的复合电解液；

(3)、微弧氧化处理：将处理过的镁锂合金样品浸入复合电解液中，搅拌并冷却，用微弧氧化电源设备对镁合金进行氧化处理，将经过预处理后的镁锂合金样品作为阳极，不锈钢电解池兼作阴极；电源设定频率为200Hz，占空比10％，电压为300V～400V；微弧氧化处理过程中电解液温度始终保持在25～30℃之间，时间为5～10min；微弧氧化处理结束后，用自来水将样品冲洗干净，自然晾干，即可得到厚度约为10μm的微弧氧化复合膜层，氧化膜表面光滑。

2.根据权利要求1所述的一种镁锂合金表面提高耐磨耐蚀性微弧氧化复合处理方法，其特征在于，所述的SiC颗粒尺寸为40nm或3.5μm。