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
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：
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 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
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。
2 结果
在不含石墨的电解液中对ZL109进行微弧氧化, 在铝合金的表面生成了陶瓷层。 陶瓷层截面形貌如图2所示。
陶瓷层的形成条件为: 电流密度0.03 A/cm2, 微弧氧化时间45 min; 散热方式为搅拌和冷却水冷却, 电解液温度低于33 ℃。
在含有石墨的电解液中对ZL109试样表面进行微弧氧化的同时, 同步沉积了石墨, 形成了含有石墨减摩相的陶瓷层, 其截面形貌如图3所示。
陶瓷层形成条件是: 电流密度为0.03 A/cm2; 在400 mL电解液中加入4 g石墨即含量为10 g/L石墨的电解液, 强化时间为45 min; 散热方式为搅拌和冷却水冷却, 电解液温度始终低于33 ℃。
对图3所示的陶瓷层进行了X射线衍射分析得知: 陶瓷层中不仅有α-Al2O3, β-Al2O3和γ-Al2O3, 而且也含有C元素, 说明在陶瓷层中确有石墨相的存在。
图2 不含石墨相的陶瓷层
Fig.2 Ceramic layer free of graphite phase
图3 减摩陶瓷层形貌
Fig.3 Anti-friction ceramic layer appearance
比较图2和图3所示的陶瓷层可见在加入石墨的电解液中生成的陶瓷膜颜色加深, 且膜层明显加厚, 这是由于在微弧氧化过程中, 石墨微粒沉积于陶瓷膜且分布十分均匀的结果。 石墨相均匀分布于陶瓷膜中会大大降低陶瓷层的摩擦系数, 因而改善铝合金表面的摩擦性能。
3影响减摩陶瓷层生长的因素
3.1微弧氧化时间对膜层厚度的影响
在含有10 g/L和15 g/L石墨电解液中, 对ZL109试样用不同时间进行微弧氧化, 得到了电流密度为0.03 A/cm2时的氧化时间与陶瓷膜厚度关系曲线, 如图4 (a) 和 (b) 所示。
图4 微弧氧化时间与膜厚的关系
Fig.4 Relationship between micro-arc oxidation time and film thickness (a) —10 g/L graphite in electrolyte; (b) —15 g/L graphite in electrolyte
由图4可知, 随着微弧氧化时间的增长, 膜层先是增长, 达到最大值后再随着氧化时间的增长膜层厚度又开始下降。 尽管两种石墨含量所生成的陶瓷层的厚度和曲线斜率不同, 但是生成最大厚度所对应的氧化时间是相同的, 即都是45 min。
3.2 成膜速度与氧化时间的关系
用生成膜的厚度除以微弧氧化时间即得到成膜速度, 在含石墨10 g/L和15 g/L的电解液条件下, 陶瓷膜成膜速度与微弧氧化时间的关系曲线如图5所示。 由图5可知, 成膜速度随氧化时间的增加而增加, 但有最大值; 超过最大值所对应的时间则随时间的增加而下降。 不同石墨含量最大成膜速度所对应的时间不同。
3.3 石墨含量对减摩陶瓷层厚度的影响
对于每种石墨含量, 陶瓷膜都有最大厚度。 超过最大厚度, 膜层随时间加长而变薄。 不同石墨含量所对应的最大膜层厚度不同。 最大成膜厚度所对应的石墨含量为5 g/L。
图5 微弧氧化时间与成膜速度关系
Fig.5 Relationship between micro-arc oxidation time and film-forming speed
(a) —10g/L graphite in electrolyte; (b) —15g/L graphite in electrolyte
5 结论
通过在电解液中加入石墨的方法在ZL109微弧氧化过程中成功地在陶瓷层中沉积了石墨减摩相, 并揭示了微弧氧化时间对陶瓷层厚度和成膜速度的影响。 提出了生成最大减摩层厚度所应选取的石墨含量为5 g/L。
参考文献
