铝合金微弧氧化陶瓷层的耐磨性

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2003.06.013 第25卷第6期 北京科技大学学报 Vol.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 铝合金微弧氧化陶瓷层的耐磨性 李金富”方克明》熊仁章习王永康) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)中国兵器工业部第五二研究所宁波分所，宁波315040 摘要应用微弧氧化这一高新表面改性技术在LY12铝合金表面形成陶瓷膜层，并对其在 常温下的耐磨性能进行了对比测试与分析，实验结果表明，微弧氧化陶瓷膜层的表面磨损外 观比较均匀，磨损痕迹也比较轻微，其表面硬度达到2500HV,是基体的10倍以上.由此可见， 微弧氧化技术大大改善了铝合金表面耐磨特性和硬度， 关键词微孤氧化：陶瓷层：耐磨：铝合金 分类号TG174.45 微弧氧化，又称“火花放电沉积或微等离子 铝合金进行制样，加工成24mm,厚8mm的样 体氧化"，是将Al,Ti,Mg,Zr等金属或合金置于 品.电解液的pH值8~9，溶液中加入一定的硅酸 电解质水溶液中，在强电场（电压高于300V)的 钠便于形膜.微弧氧化工艺参数：电解液pH值 作用下阳极表面出现微区弧光放电现象，微弧区 8~10,电解液温度为常温，电压300-700V,电流 的瞬间高温烧结作用在金属或合金的表面直接 密度8~10A/dm2,加工时间3.5h.氧化膜陶瓷层的 生成氧化物陶瓷相的一项金属表面处理技术， 厚度90-100m. 微弧氧化技术是阳极氧化技术的多样化、 双阶段阳极氧化、脉冲阳极氧化等发展和应用的 2摩擦磨损实验条件 产物，.它突破了传统的法拉第区域进行阳极氧 (1)样品材料.基材为LY12,涂层包括两层： 化的框架，将阳极氧化的电压由儿十伏提高到几 表面层为疏松层，主要由α-AlO组成：内层为致 百伏，由小电流发展到大电流，由直流发展到交 密层，主要由a一AlO和Y-AlO组成. 流，导致样品表面出现电景、辉光、微弧放电、火 (2)实验方法.实验在SRV摩擦磨损实验机上 花斑等现象，从而能对氧化层进行微等离子体的 进行，采用球一盘摩擦副接触方式.实验采用两 高温高压处理，使非晶结构的氧化层发生相和结 种试球：45Cr钢球和陶瓷球，10mm.轮廓仪测量 构上的变化，在铝合金表面由微弧氧化技术生成 磨损效果， 的氧化层由a-AlO,Y一A,O,相组成，其结构与烧 (3)实验条件.如表1所示.1#样品采用45Cr 结的陶瓷相似.经过处理的铝合金表面生成一层 钢球对磨，维氏显微硬度在700HV左右；2#样品 致密的氧化铝陶瓷膜，厚度可达150-400m,显 采用陶瓷球对磨，维氏硬度在2000HV以上， 傲硬度超过3000HV,绝缘电阻大于100M2,与 基体结合力强，极大地改善了铝合金的耐磨损、 表1摩擦磨损实验条件 耐腐蚀、抗热冲击及绝缘性能等，在航空航天、军 Table 1 Experimental conditions for friction and wear 工、机械、电子、装饰等领域应用前景广泛， 样品温度频率Hz振幅/mm负荷N时间min 1# 常温20 1.20 20 4 1样品制备 2# 常温 20 1.20 20 为使基材样品有一定的代表性，选用LY12 3结果及讨论 收稿日期2002-1105 李金富男，25岁，硕士研究生 图1和图2示出了LY12合金表面微弧氧化

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 铝合金微弧氧化陶瓷层 的耐磨性 李金 富 ” 方 克 明 ‘， 熊仁章 ， 王 永康 ， 北京 科 技大学冶 金 与 生 态 工 程 学 院 ， 北京 中 国兵 器工 业 部 第 五 二 研 究所 宁波 分所 ， 宁波 摘 要 应 用 微弧氧 化 这 一 高 新表 面 改性技术 在 铝 合 金表 面 形 成 陶 瓷膜层 ， 并对其在 常温 下 的 耐 磨 性 能进行 了对 比测 试 与 分 析 实验 结 果 表 明 ， 微 弧 氧 化 陶 瓷 膜层 的表 面 磨 损 外 观 比较 均匀 ， 磨损 痕 迹也 比较 轻 微 ， 其 表面硬 度 达 到 ， 是 基 体 的 倍 以上 由此 可 见 ， 微弧氧 化 技术 大 大改善 了铝 合 金 表 面 耐 磨特 性 和 硬 度 关键 词 微 弧 氧化 陶 瓷层 耐磨 铝 合金 分 类 号 微 弧 氧 化 ， 又 称 “ 火 花 放 电沉 积 或 微 等 离 子 体氧 化 ” ，，〕 ， 是 将 ， ， ， 等 金 属 或 合 金 置 于 电解 质 水溶 液 中 ， 在 强 电场 电压 高 于 的 作用 下 阳极 表 面 出现 微 区弧 光 放 电现 象 ， 微 弧 区 的 瞬 间 高温 烧 结 作 用 在 金 属 或 合 金 的表 面 直 接 生 成 氧 化 物 陶 瓷 相 的 一 项 金 属 表 面 处 理 技 术 微 弧 氧 化 技 术 是 阳 极 氧 化 技 术 的 多样 化 、 双 阶段 阳极 氧 化 、 脉 冲 阳 极 氧 化 等 发展 和 应 用 的 产 物 ‘ 】 它 突破 了传 统 的法 拉 第 区 域 进 行 阳 极 氧 化 的框 架 ， 将 阳极氧 化 的 电压 由几 十伏 提 高 到几 百伏 ， 由小 电流 发 展 到 大 电流 ， 由直 流 发 展 到 交 流 ， 导致样 品表 面 出现 电晕 、 辉 光 、 微 弧 放 电 、 火 花 斑 等 现 象 ， 从 而 能对 氧 化层 进 行 微 等 离 子 体 的 高温 高压 处 理 ， 使 非 晶结 构 的氧化 层 发 生 相 和 结 构 上 的变 化 在 铝 合 金表 面 由微 弧氧 化 技 术 生 成 的氧 化 层 由 一 ， 一 相 组成 ， 其 结 构 与烧 结 的陶 瓷相 似 经 过 处 理 的铝 合 金表 面 生成 一 层 致 密 的氧 化 铝 陶 瓷 膜 ， 厚 度 可 达 巧 一 脚 ， 显 微 硬 度 超 过 ， 绝 缘 电阻 大 于 ， 与 基 体 结 合 力 强 ， 极 大 地 改 善 了铝 合 金 的 耐 磨 损 、 耐腐 蚀 、 抗 热 冲 击 及 绝 缘 性 能等 ， 在 航 空 航 天 、 军 工 、 机 械 、 电子 、 装 饰 等领 域 应 用 前 景 广 泛 ，， 铝 合 金 进 行 制 样 ， 加 工 成 中 ， 厚 的样 品 电解 液 的 值 一 ， 溶 液 中加 入 一 定 的硅 酸 钠 便 于 形 膜 微 弧 氧 化 工 艺 参数 电解 液 值 一 ， 电解 液温 度 为 常温 ， 电压 一 ， 电流 密度 一 刀 ， 加 工 时 间 氧 化膜 陶 瓷层 的 厚 度 一 脚 · 样 品 制 备 为 使基 材 样 品有 一 定 的代 表 性 ， 选 用 摩 擦 磨 损 实验 条件 样 品材 料 基 材 为 万 ， 涂 层 包 括 两 层 表 面层 为疏 松 层 ， 主 要 由 一 组 成 内层 为致 密 层 ， 主 要 由 一 。 和 一 ， 组 成 实验 方 法 实验 在 摩 擦 磨 损 实验 机 上 进 行 ， 采 用 球 一 盘 摩 擦 副 接 触 方 式 实验 采 用 两 种 试 球 钢 球 和 陶 瓷球 ， 中 ， 轮 廓 仪测 量 磨损 效果 实验 条件 如 表 所 示 样 品采 用 钢 球 对 磨 ， 维 氏 显 微 硬 度 在 左 右 样 品 采 用 陶 瓷 球 对 磨 ， 维 氏 硬 度 在 以上 表 摩擦 磨 损 实验 条 件 加 样 品 温度 频 率们 振幅 负荷入 时 间 常温 常温 结 果 及 讨 论 收稿 日期 一 刁 李金 富 男 ， 岁 ， 硕 士 研 究生 图 和 图 示 出 了 合 金 表 面微 弧氧 化 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．06．013

Vol.25 No.6 李金富等：铝合金微弧氧化陶瓷层的耐磨性 ·543· 图4和图5为LY12合金表面微弧氧化膜与 45C,钢球对磨时轮廓形貌和摩擦系数随实验时 间的变化.从图中可以看出，试样2与陶瓷球对 磨时，涂层的表面磨损外观比较均匀.由于两种 材料弹性变形和塑性变形的高温稳定性，二者进 行的是磨料磨损.初始摩擦因数比较高，达到07 左右，随后稳步下降逐渐达到平稳状态，此时摩 101520 25 擦因数在0.48左右，体积磨损率约为8.1×10· 点数 mmNm,耐磨性能极为优异.小载荷的维氏硬度 图1钢球对磨时的轮廓形貌 测试更进一步表明涂层的维氏硬度是基体的10 Fig.I Wear track profile in the test using a steel ball 倍以上，达2500V左右. 0 2 0.8 4 欧 8 3 4 -10 行程/cm 0 8 1216 20 图2钢球对磨时的摩擦因数 点数 Fig.2 Variation of friction coefficient in the test using a 图4陶瓷球对磨时的轮廓形貌 steel ball Fig.4 Wear track profile in the test using a ceramic ball 膜与45Cr钢球对磨时轮廓形貌和摩擦因数随实 0.8 验时间的变化.从图中可以看出，试样1与钢球 对磨时，初始摩擦因数很不稳定.达到平稳状态 0.6 时，涂层的表面磨损外观不太均匀，出现轻微的 0.4 “犁沟”（见图3）.由磨痕表面形貌及成分分析可 知，由于两种材料在弹性变形和塑性变形方面有 0.2 很大的差别，在平稳阶段二者进行的主要是粘着 磨损：Fe及少量由摩擦所导致的高温氧化生成的 0 0 4 6 F®O粘着在膜层的表面，致使在平稳阶段钢球 行程cm 无法再与陶瓷膜层进行摩擦， 图5陶瓷球对磨时的摩擦系数 Fig.5 Variation of friction coefficient in the test using a ce- ramic ball 4结论 铝合金材料经过微弧氧化表面改性处理后， 涂层的表面磨损外观比较均匀，并且磨损痕迹也 比较轻微，而未经过微弧氧化处理的基材样品， 20 um 其磨损状况就出现了“犁沟”现象，小载荷的维氏 硬度测试进一步证明，徽弧氧化陶瓷膜层的表面 图3样品1表面磨损形貌 硬度达到2500HV,是基体的10倍以上.由此可 Fig.3 Surface wear profile of No.I sample 见，铝合金材料经过微弧氧化表面改性处理后

李 金 富等 铝合 金微弧氧化 陶瓷层 的耐磨性 点数 图 钢 球对 磨时的轮廓形 貌 节触 川 奴 图 和 图 为 合 金 表面 微 弧氧 化 膜 与 钢 球对 磨 时轮 廓形 貌和 摩 擦系数 随实验 时 间 的变化 从 图 中可 以看 出 ， 试 样 与 陶 瓷 球对 磨 时 ， 涂 层 的表 面 磨损 外观 比较 均匀 由于两 种 材料 弹性变 形和 塑性 变形 的高温稳 定性 ， 二 者进 行 的是 磨料 磨损 初 始 摩 擦 因 数 比较 高 ， 达 到 左 右 ， 随后 稳 步下 降逐渐 达 到平 稳状 态 ， 此 时摩 擦 因数在 左 右 ， 体 积 磨损 率 约 为 一 加 ， 耐 磨 性 能极 为优 异 小载荷 的维 氏硬度 测试 更进 一 步表 明涂 层 的维 氏硬度 是 基 体 的 倍 以上 ， 达 左 右 侧殴、日二 巧 赊一 侧、殴日兰 一 撅澎锻因 行程 图 钢球对 磨时的摩擦 因数 币 恤 伙 皿 名 一 点数 图 陶瓷球对磨 时的轮 廓形 貌 咭 七 川 加 血 恤 吸堵锻象 一卜爪︸闷川曰荀一洲︺月叨份翎日洲”，门 膜 与 钢 球对 磨 时轮廓 形貌和 摩 擦 因数 随实 验 时 间 的变 化 从 图 中可 以看 出 ， 试 样 与钢 球 对 磨 时 ， 初 始摩 擦 因数 很 不 稳 定 达 到平 稳状态 时 ， 涂 层 的表面 磨损 外观 不 太 均匀 ， 出现 轻微 的 “ 犁 沟 ” 见 图 由磨 痕表 面 形貌 及 成 分 分析可 知 ， 由于两 种 材料在弹性变 形和 塑性变形 方面 有 很 大 的差 别 ， 在平 稳阶段 二 者进行 的主 要 是粘着 磨损 及 少量 由摩擦 所 导致 的高温氧化 生成 的 仇 ， 粘着在膜 层 的表 面 ， 致 使在 平 稳 阶 段 钢 球 无法 再 与 陶 瓷膜 层 进行 摩擦 ‘ 一 一二 一 山一 ‘ 行程 图 陶瓷球对磨时的摩擦 系数 哈 仿 皿 恤 皿 · 图 样 品 表面 磨损形貌 啥 门句 · 晓 结 论 铝 合 金材料经 过微 弧氧化 表 面 改性 处理 后 ， 涂层 的表 面 磨损 外 观 比较均匀 ， 并且 磨损 痕迹 也 比较 轻微 ， 而 未经 过 微 弧氧 化 处 理 的基 材样 品 ， 其磨损状 况就 出现 了 “ 犁沟 ” 现象 小载荷 的维 氏 硬度测试进一 步证 明 ， 微 弧氧 化 陶 瓷膜层 的表面 硬 度达到 ， 是基 体 的 倍 以上 由此 可 见 ， 铝 合 金 材 料经 过微 弧氧化表 面 改性 处理 后

·544· 北京科技大学学报 2003年第6期 大大改善了其表面耐磨特性和硬度， 特性[J摩擦学学报，2000,20：304 3袁洋，罗状子，田军，铝合金表面馓弧氧化耐磨润滑 参考文献 涂层.材料保护.2002,35：4 1薛文斌，邓志威，来永春，等.铝合金微弧氧化陶瓷 4薛文斌，邓志威，来永春，等.铝合金徽弧氧化陶瓷 膜的形成过程及其特性[可.电镀与精饰，1996,17 膜的形貌及相组成分析[)，北京师范大学学报， (5):3 1996,32:1 2来永春，邓志威，宋红卫，等.耐磨性微弧氧化膜的 Wear Resistance Properties of Micro-arc Oxidized Ceramic Layer LI Jinfu",FANG Keming",XIONG Renzhang",WANG Yongkang" 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Ningbo Branch of No.52 Institute of Ordnance Industry,Ningbo 315040,China ABSRACT Ceramic layers were obtained by the micro-arc oxidation technology on LY12 aluminum alloys.The wear resistance properties of ceramic layers at room temperature were tested and analyzed.Experimental results in- dicate that the surface wear profile of micro-arc oxidized ceramic layers is regular and the hardness of ceramic layers is 10 times more than that of substrate.It is concluded that the wear resistance capability and hardness of aluminum alloys can be remarkably improved by the micro-arc oxidation technology. KEY WORDS micro-arc oxidation;ceramic layer;wear resistance:aluminum alloy

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 ‘ 期 大 大 改 善 了其表 面 耐 磨特 性 和 硬 度 参 考 文 献 薛文 斌 ， 邓 志 威 ， 来永 春 ， 等 铝合 金微弧氧化 陶 瓷 膜 的 形成过程及 其 特性 闭 电镀 与精饰 ， ， 来永 春 ， 邓 志 威 ， 宋 红 卫 ， 等 耐磨 性 微弧氧化 膜 的 特 性闭 摩擦 学学报 ， ， 袁洋 ， 罗状 子 ， 田 军 铝 合金表 面 微 弧氧 化 耐磨 润滑 涂层 材料保 护 ， 薛文斌 ， 邓 志 威 ， 来永 春 ， 等 铝合金微弧氧化陶瓷 膜 的 形 貌 及 相 组 成 分 析 北 京 师 范 大 学 学 报 ， ， 研几 一 别且 晌 ” ， 岁 夕， 芜旧刃 犷 声， 洲刀 创切刀犷 】 电 ， 田 恤 ， ， 加 此咚 ， 一 栩。 一 们。 别的 比 山叭 山 一 一毗 印叮