MgO和SiO2对2Al2铝合金微弧氧化膜耐磨性能的影响

李玉海，王 帅，张白冰

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)



MgO和SiO2对2Al2铝合金微弧氧化膜耐磨性能的影响

李玉海，王 帅，张白冰

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

采用微弧氧化技术，对2Al2铝合金表面进行处理。在KOH和Na2SiO3电解液中分别添加MgO和SiO2粉末，使铝合金表面生成复合陶瓷膜，采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析膜层的微观形貌和物相组成并对膜层进行耐磨性能分析。结果表明，添加MgO粉末生成的陶瓷层在微弧氧化过程中与Al2O3发生反应生成铝镁尖晶石，使陶瓷膜变得光滑，而添加的SiO2粉末附着在缺陷和微孔周围，两种粉末的添加增加了微弧氧化陶瓷膜的耐磨性能。

微弧氧化;Al2O3；MgO；SiO2；摩擦磨损

2Al2铝合金具有密度小、比强度高、易于成形加工等优点，多用于航空航天领域，但是其耐磨性较低，耐蚀性较差，应用性能达不到要求[1]。微弧氧化是铝、镁、钛及其合金表面在电解液中产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层，具有高硬度、耐磨、强绝缘、结合强度高等特点，在军事、航天航空、机械及医疗等领域应用广泛[2]。但由于微弧氧化是一个多种因素控制的复杂过程[3]，需要合理选择微弧氧化实验中的参数[4-7]，膜层的主要成分为α-Al2O3和γ-Al2O3，其耐磨性能主要取决于这两种氧化铝所占的比例[8]。本文通过在Na2SiO3+KOH基础电解液中分别添加MgO与SiO2粉末，分析两种粉末对膜层的组织结构和耐磨性能的影响。

1 实验材料和实验方法

实验材料为2Al2铝合金，其成分为Cu:3.8%～3.9%,Mn:0.3%～0.9%,Mg:1.2%～1.8%,Si:小于0.5%，Zn:小于0.25%，Ti：小于0.15%，Cr：小于0.1%，试样尺寸为40mm×17mm×1mm，经过砂纸的打磨、除油、无水乙醇及去离子水清洗，烘干后密封保存。用去离子水配置KOH和Na2SiO3溶液，再称量一定量的MgO与SiO2粉末分别添加到KOH和Na2SiO3溶液中，MgO为轻质氧化镁，SiO2粒度为D50=27μm。经过超声波震荡，放入电解槽内，连接着10kW的微弧氧化装置，打开电源，调节参数，正电压为530V，负电压为60V,时间为30min。电解液温度保持在30℃左右。采用日本生产的日立S-3400N扫描电子显微镜观察膜层表面形貌元素分布，通过样品喷金增加陶瓷膜层的导电性能，使照片清晰可见。采用TT230数字式覆层测厚仪测量膜层厚度，采用日本理学D/max-2500/PCX射线衍射仪测量氧化膜相组成成分，选用MMW-1A万能摩擦磨损试验机测定微弧氧化膜层的耐磨性能。实验转速设定60r/min，实验时间为5min，结束后称量损失失重，从摩擦系数和失重来判定微弧氧化膜层的耐磨性能。

2 实验结果与分析

2.1 氧化时间和添加剂对氧化膜层厚度的影响

图1为氧化时间与微弧氧化陶瓷膜膜层厚度的关系，从图1可看出，10min到30min时成膜速率加快；40min到60min时虽然继续生长，生长速度趋于缓和，表面粗糙不平，成膜质量不好；20min到30min时间段生长速度最快。原因是前期放电击穿比较容易，反应速度很快，成膜速度也随之加快，但是反应中期膜层有一定的厚度，击穿变的越来越困难，导致导电能力差，致使成膜速度减慢，必须增高电压才能正常进行。铝合金微弧氧化陶瓷分为三层膜，最内层为基体，中层为致密层，外层为疏松层。中外层都由α-A12O3、γ-A12O3两种氧化铝组成，α-A12O3的硬度比γ-A12O3高很多，而致密层α-A12O3的含量要高于疏松层，导致致密层的硬度和耐磨性都比疏松层高，通过合理的膜层比例厚度来确定微弧氧化时间。图2为KOH和Na2SiO3电解液中添加不同计量的MgO和SiO2粉末氧化膜层厚度与时间的关系，由图2可以看出，两种粉末的添加，膜层厚度增加。SiO2粉末添加到4g/L时达到最高值，MgO粉末添加到25g/L时达到最高。MgO和SiO2为非导电介质，随着放入量的增加，电解溶液的导电性越差，阴阳离子的移动速度越慢，导致成膜速度变慢。

图1 以KOH和Na2SiO3为电解液时间-膜层厚度的关系

图2 不同浓度的MgO和SiO2添加到KOH和Na2SiO3电解液与膜层厚度的关系

2.2 膜层的表面形貌

图3a为未添加粉末的KOH和Na2SiO3电解液生成的微弧氧化陶瓷膜，表面微孔遍布整个工件表面，微孔大小不一，面上凹凸不平，非常粗糙，局部还有裂纹。图3b为添加MgO粉末颗粒生成的陶瓷膜表面形貌图，微孔数量明显减少，表面平整光滑，白色物质分散在微孔周围，分布较均匀。图3c为添加SiO2粉末形成的微弧氧化形貌图，微孔数量既少又小，表面较光滑，几乎无裂纹，有少量白色粉末分散在微孔及其周围，微孔呈火山形状。由图3b、图3c可以看出，添加MgO和SiO2粉末的陶瓷膜整体要比未添加粉末原电解液的陶瓷膜要平整光滑，微孔数量变少，其原因是MgO和SiO2粉末在微孔处弥散分布，使微孔变小，甚至有些微孔消失，粉末的添加填平了组织表面的凹陷处，使其平滑整齐。微孔为前期微弧氧化氧化膜生长在缺陷上，随着电压的增大，氧化膜的厚度也逐渐增大。当膜层厚度达到一定值时，陶瓷膜被击穿，形成放电通道，离子从放电通道通过，加快了成膜速度，膜层生长覆盖了微孔，电压会击穿膜层形成放电通道使其进行，最终形成火山状的表面形貌，两种粉末附着在微孔周围阻止了裂纹的进一步扩展。

图3 不同电解液生成的微弧氧化陶瓷SEM

2.3 膜层的相组成

图4为不同成分的陶瓷膜内的相组成。

图4 不同成分的陶瓷膜的相组成

由图4a和图4b对比可知，γ-Al2O3的衍射峰明显不同。添加SiO2粉末生成的氧化膜层α-Al2O3要比未添加SiO2粉末生成的α-Al2O3多，表明添加粉末所生成的陶瓷层要比原电解的更厚。其原因是SiO2的添加促使α-Al2O3膜层的增长，α-Al2O3是Al2O3的稳定形态，成膜前期形成大量的γ-Al2O3，当电压达到一定值时，温度达到1200℃，γ-Al2O3开始转变。但是由于升温快，冷却速度也极快，导致还有一部分γ-Al2O3的存在，SiO2的加入随着粒子反应通道进入膜层表面，减少了Al2O3的高冷速度，使膜层大部分以α-Al2O3存在，膜层因此变厚，膜层的硬度，耐磨性能也随之提高。图4c为添加MgO粉末生成的膜层XRD图谱，由图4c可以看出，主峰都为Al和α-Al2O3，次峰为MgAl2O4。由图4a与图4c明显看出，膜层成分的改变，MgO粉末的添加导致γ-Al2O3的消失，原因是电解初期形成放电通道，在表面形成氧化膜层，其物相为γ-Al2O3，MgO为离子化合物，高电压导致MgO粉末的电离，大量的Mg2+流入放电通道，进而进入膜层表面，由于γ-Al2O3在当前温度下不稳定，具有尖晶石结构，和Mg2+发生反应，形成铝镁尖晶石。

图5为添加氧化镁粉末的SEM与EDS图像，由图5可以看出由于MgO粉末的加入，膜层中有大量的Mg，可以证明MgO粉末在微弧氧化反应过程起到了不可或缺的作用。

图5 添加MgO生成的陶瓷膜元素成分

2.4 陶瓷膜耐磨性能研究

图6为微弧氧化陶瓷膜摩擦系数与氧化时间的关系，由图6可看出，未添加粉末的KOH和Na2SiO3生成的微弧氧化陶瓷膜前期摩擦系数在0.2左右波动，时间超过50s时，摩擦系数随时间急剧增长到0.4，最后平稳到0.38左右，在190s左右时，膜层基本被磨露。添加MgO粉末的微弧氧化陶瓷膜前期摩擦系数在0.25以下浮动，到175s时，摩擦系数略有增加，全程基本稳定不变，证明陶瓷层基本上只有表面的疏松层被磨掉，陶瓷层很致密，耐磨性能较好。添加SiO2粉末的陶瓷膜实验前期摩擦磨损系数在0.23左右，到达275s左右时开始增加，最后在0.3左右浮动，证明添加SiO2粉末陶瓷层比较致密，耐磨性能比较好。添加粉末的复合陶瓷膜耐磨性要高于单一陶瓷层的性能。

图6 不同电解液陶瓷膜的摩擦系数-时间的关系

图7为三种电解液形成的陶瓷膜的摩擦磨损所损失的重量随时间变化关系，由图7可以看出，KOH和Na2SiO3生成的陶瓷膜随着时间的增加，磨损量呈线性增加。添加MgO和SiO2粉末生成的陶瓷膜，前期磨损幅度要小于未添加的磨损量，经过一段时间后磨损量基本保持不变，可以说明添加MgO和SiO2粉末的微弧氧化陶瓷层耐磨性能更加优越。

图7 不同电解液陶瓷膜的磨损失重-时间关系

3 结论

(1)微弧氧化膜层随时间的增加而增加，添加MgO和SiO2粉末生成的陶瓷膜要厚于KOH和Na2SiO3电解液生成的陶瓷膜。

(2)MgO粉末添加到KOH和Na2SiO3电解液中，微弧氧化过程中与γ-Al2O3发生反应生成铝镁尖晶石，Al2O3以α-Al2O3形式留在膜层中。SiO2粉末添加到KOH和Na2SiO3电解液中，弥散在微孔附近，填充到缺陷表面。

(3)MgO和SiO2粉末的添加使微弧氧化复合陶瓷膜的耐磨性能得到提高。

[1]孙志华,刘明,国大鹏，等.2Al2航空铝合金微弧氧化陶瓷层生长过程[J].稀有金属材料与工程,2010,39(1):65-68.

[2]吴振东,姜兆华,姚忠平,等.反应时间对LY12铝合金微弧氧化膜层组织及性能的影响[J].无机材料学报,2007,22(3):556-559.

[3]吴汉华,龙北红,吕宪义,等.铝合金微弧氧化过程中电学参量的特性研究[J].物理学报，2005,54(4):1698-1701.

[4]李占明,邱骥,孙晓峰,等.铝合金表面微弧氧化技术研究与应用进展[J].装甲兵工程学院学报,2013,27(3):83-87.

[5]杨巍,蒋百灵,时惠英.LY12铝合金微弧氧化膜层的形成与生长机制[J].中国有色金属学报,2010,20(10):1950-1954.

[6]Gnedenkov S V,Sinebryukhov S L,Skorobogatova T M,et al.Properties of coatings formed on titanium by micro-arc oxidation in hypophosphite aluminate electrolytes[J].Russian Journal of Electrochemistry，1998,34(9):940-945.

[7] 吴汉华,于凤荣,李俊杰.铝合金微弧氧化陶瓷膜形成过程中的特性研究[J].无机材料学报,2004,19(3):618-622.

[8]周雅,江溢民,周佳.铝合金微弧氧化膜层耐蚀性研究现状[J].失效分析与预防,2012,7(1):58-62.

(责任编辑：马金发)

Influence of MgO、SiO2on Micro-arc Oxidation Composite Ceramic Coating of 2Al2 Aluminium Alloy

LI Yuhai,WANG Shuai,ZHANG Baibing

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Micro-arc oxidation technology was used to make surface treatment for 2Al2 alloy.By adding MgO and SiO2powders into the electrolyte solution,a composite wear resistant layer generated during the micro-arc oxidation process.Scanning electron microscopy(SEM)and X-ray diffraction(XRD)technology were used to analyze morphology and phase composition of the ceramic film.In addition,the wear resistance of the layer was also analyzed.The experimental results indicated that MgO powder would react with Al2O3to form alumina-magnesia spinel phase which makes the ceramic layer more smooth.The SiO2powder would distribute around the micro pores.The wear resistance of the ceramic layer was improved by adding SiO2and MgO.

micro-arc oxidation;Al2O3;MgO；SiO2;wear resistance

2015-11-09

李玉海(1962—)，男，教授，博士，研究方向：金属材料表面改性。

1003-1251(2016)05-0068-05

TG146.2；TG174.44

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