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微弧氧化减摩陶瓷层的生成及其影响因素

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z2期

论文作者：高殿奎姜桂荣王玉林

文章页码：199 - 202

关键词：微弧氧化；石墨；减摩；成膜速度

Key words：micro arc oxidation； graphite； anti friction； film forming speed

摘要：为了降低微弧氧化陶瓷层的摩擦系数 ,采用在微弧氧化电解液中加入石墨减摩相的方法 ,在微弧氧化过程中同步沉积出含石墨相的陶瓷层。研究结果表明 :膜层厚度和成膜速度开始时都是随氧化时间的延长而增加 ,达到最大值后 ,又随时间的延长而降低 ;石墨含量 5g/L时成膜厚度最大 ;石墨减摩相的加入 ,大幅降低了微弧氧化陶瓷层的摩擦系数。

Abstract: To decrease the friction coefficient of macro arc oxidation ceramic layer, the method of adding graphite anti friction phase into the macro arc oxidation electrolyte was adopted and the ceramic layer with graphite phase was deposited during the process of macro arc oxidation. This improves the friction capability of macro arc oxidation ceramic layer greatly. The results show that, at the beginning, the film thickness and film forming speed will increase with the time and then it reaches the maximum and falls with the time; the film forming speed reaches its maximum when the graphite contents is 5 g/L; the adding graphite anti friction phase decreases the friction coefficient of ceramic layer obviously.

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DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s2.045

微弧氧化减摩陶瓷层的生成及其影响因素

高殿奎姜桂荣王玉林

燕山大学机械工程学院

燕山大学材料与化工学院秦皇岛066004

摘要：

为了降低微弧氧化陶瓷层的摩擦系数 , 采用在微弧氧化电解液中加入石墨减摩相的方法 , 在微弧氧化过程中同步沉积出含石墨相的陶瓷层。研究结果表明 :膜层厚度和成膜速度开始时都是随氧化时间的延长而增加 , 达到最大值后 , 又随时间的延长而降低 ;石墨含量 5g/L时成膜厚度最大 ;石墨减摩相的加入 , 大幅降低了微弧氧化陶瓷层的摩擦系数。

关键词：

微弧氧化;石墨;减摩;成膜速度;

中图分类号： TG174.451

收稿日期：2001-01-21

Formulation and influential factors of micro-arc anti-frition ceramic layer

Abstract：

To decrease the friction coefficient of macro arc oxidation ceramic layer, the method of adding graphite anti friction phase into the macro arc oxidation electrolyte was adopted and the ceramic layer with graphite phase was deposited during the process of macro arc oxidation. This improves the friction capability of macro arc oxidation ceramic layer greatly. The results show that, at the beginning, the film thickness and film forming speed will increase with the time and then it reaches the maximum and falls with the time; the film forming speed reaches its maximum when the graphite contents is 5?g/L; the adding graphite anti friction phase decreases the friction coefficient of ceramic layer obviously. [

Keyword：

micro arc oxidation; graphite; anti friction; film forming speed;

Received： 2001-01-21

现代工业的发展, 对材料质量的要求越来越高。铝质材料重量轻、比强度高、耐腐蚀、导电和导热性良好, 然而, 作为机械零部件材料, 铝质材料的弱点是质软、耐磨性能差、摩擦系数高且难以润滑等。最近十几年发展起来的如微弧氧化等技术 ^{[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]} 使铝合金表面生成耐磨、耐腐蚀和耐高温的陶瓷层, 大大扩展了铝合金的应用范围, 使其在生产中得到了应用 ^[11] 。但微弧氧化陶瓷层也有摩擦系数高的弱点 ^[12] , 如何形成减摩陶瓷层并分析影响其生长的因素是本文作者所要研究的内容。

1 实验

1.1 实验试样及电解液

所选铝合金材料为ZL109。其化学成分分析如表1所示。

表1 铝合金化学成分

Table 1 Al-based alloy chemical composition

Element	Si	Cu	Mg	Ni	Al
w/%	12.5	1.3	1.2	0.6	Bal.

从ZL109材料中切取实验用试样, 每一片试样的尺寸皆为40 mm×20 mm×5 mm。微弧氧化用的电解液为NaOH溶液, 向溶液中加入的减摩相为石墨。石墨不溶解于电解液中, 但可以通过搅拌形成悬浮液。

1.2 实验过程

微弧氧化实验工艺流程为:

试样除油→去离子水漂洗→微弧氧化→自来水漂洗→自然干燥

试验装置如图1所示。试样分别在不含有石墨的电解液中和含有石墨的电解液中进行微弧氧化。在含有石墨的电解液中进行微弧氧化时, 为使石墨能在电解液中分布均匀, 形成悬浮液, 始终加强搅拌。

图1 微弧氧化装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of micro-arc oxidation instrument

1—Transformer;2—Rectifier;3—Voltmeter meter;4—Current meter;5—Sample;6—Stirrer;7—Negative pole;8—Electrolyte;9—Coolant

在微弧氧化过程中, 冷却系统也确保了电解液的温度保持在33 ℃以下。

实验中的氧化过程可分为几个阶段, 在电压达到临界击穿电压之前几分钟内属于普通阳极氧化阶段, 表面生成很薄的绝缘氧化膜。当电压达到临界击穿电压时, 氧化膜被击穿, 试样表面出现无数细小的白色火花, 为火花放电阶段。随着外加电压和膜厚增加, 试样表面出现一些移动的较大红色弧点, 同时也存在大量的细小白色火花, 即进入微弧氧化阶段。这些较大红色弧点对α-Al₂O₃形成和膜厚的增加起了重要的作用。当移动的大火花击穿了绝缘层, 产生放电通道, 由于膜被击穿, 基体与电解液直接接触, 瞬时电流密度很大, 氧化还原反应得以充分进行 ^[13] 。随着大火花的跳动, 局部的高成膜速度促成了整体膜层的快速增长, 陶瓷层的厚度增加, 致密性提高。不溶于电解液的石墨在搅拌器的作用下形成了均匀的悬浮液, 在氧化膜的形成过程由于吸附等作用使石墨粒子沉积于陶瓷层中, 可增加陶瓷层的厚度。如果电解液中石墨含量过高, 必使电解液的功能受到影响, 使陶瓷层生长困难。因此电解液中石墨的含量对应减摩层的厚度应有一最佳值。

随着氧化时间的延长, 膜层进一步增厚, 跳动红色弧点逐渐变得稀疏, 开始出现固定在某些点上大的红色弧点, 这样的弧点能在氧化膜表面形成大的凹坑, 膜层几乎不再生长, 由于膜层的化学及电化学溶解作用, 膜层的厚度反而下降。因此微弧氧化时间对应陶瓷层的厚度也应有一最佳值。