铝合金机械臂的表面改性与耐磨性能研究*

杨巍巍 郑东旭 梁建国

(1江苏食品药品职业技术学院智能制造学院 江苏淮安 223005；2湖南有色金属职业技术学院机电工程系 湖南株洲 412006；3太原理工大学机械工程学院 山西太原 030000)

随着近年来机器人技术的快速发展和应用，机械臂作为机器人领域不可缺少的重要组成部分而倍受关注。其中，铝合金、镁合金、合金钢和经过热处理的优质钢等都是制作机械臂的原材料，且铸造铝合金材质的机械臂由于具有质量轻、比强度高以及运动便捷性好等优点而成为了机械臂的首选[1]。然而，较低的耐磨性能和耐腐蚀性能等在很大程度上抑制了铝合金机械臂的应用。因此，文章拟采用微弧氧化的方法在高硅含量的铸造Al-Si-Cu合金机械臂表面制备出高耐磨的膜层，并探讨电参数对膜层微观结构、物相组成和耐磨性能的影响规律。

1材料与方法

试验基材为铝合金机械臂用铸造Al-Si-Cu合金，化学成分(质量分数，%)为：10.80 Si、2.31 Cu、0.22 Mg、0.73 Zn、0.08 Fe、0.24 Mn，余量为Al。

采用线切割方法将被测试样加工成40mm×30mm×3mm，样品经过打磨、清水冲洗和酒精超声处理后吹干，采用MAO500双向脉冲微弧氧化电源对被测试样进行表面微弧氧化处理，被测试样为阳极、不锈钢电解槽为阴极，电解液配方为：5g/LNa2SiO3、5g/L (NaPO3)6、3g/L Na2WO4·2H2O，采用循环水冷却系统保证电解液温度保持在30℃以下，微弧氧化时间统一为30min。电源参数分别设定为占空比：20～50%(电流密度为10A/dm2、频率600Hz)，电流密度：5～20A/dm2(占空比50%、频率600Hz)，频率：200～1000Hz(电流密度为10A/dm2、占空比50%)。

采用FDL600型多功能高精度数字式覆层测厚仪，分别测试微弧氧化膜层10个不同位置的厚度并取平均值作为测试结果；采用TR201手持式表面粗糙度仪对表面膜层粗糙度(Ra)进行测试；采用日立S-4800型钨灯丝扫描电子显微镜对膜层表面形貌进行观察；采用荷兰Empyrean锐影X射线衍射仪对膜层物相进行分析，角度为30～80°；采用MPX2000A 盘销式摩擦磨损试验机对膜层进行室温常压状态下摩擦系数和磨损失重测试，对磨材料为YG6硬质合金(Φ60mm×10mm，HRA90)，滑动距离为500m，滑动速率为1m/s，载荷为20N，并采用HZT-A500电子天平对磨损失重进行测试。

2结果与分析

图1为不同电参数下Al-Si-Cu合金微弧氧化膜层的厚度与粗糙度测试结果。

(a)占空比

图1显示，在电流密度和频率一定条件下，随着占空比的增加，表面膜层的粗糙度和膜层厚度都表现为逐渐增加的趋势，这主要是因为在其它电参数一定条件下，占空比的增加会延长电流在基体表面作用的时间，使得膜层导电通道延长，熔融物沿放电通道的喷出速率增加，从而提高膜层生长速率，整体膜层厚度会有所增大，但是占空比的增加会使得膜层放电更加剧烈而造成表面粗糙度增加，占空比为50%时的膜层粗糙度仍然小于0.6。在占空比和频率一定条件下，随着电流密度的增加，表面膜层的粗糙度和膜层厚度都表现为逐渐增加的趋势，这主要是由于电流密度的增加会提高微弧氧化放电强度和熔融氧化物的生成速率，膜层厚度相应增加，而较高的电流密度同时会降低膜层的致密性，击穿膜层表面的孔隙越大、熔融氧化物堆积愈发明显[2]，粗糙度随之增大；在占空比和电流密度一定条件下，随着频率的增加，表面膜层的粗糙度和膜层厚度都表现为逐渐降低的趋势，这主要是由于频率的增大会降低单个脉冲的持续时间，膜层在表面积累会更加困难，且表面积累的熔融氧化物数量会减少从而造成膜层厚度减小、粗糙度降低。

图2为不同电参数下Al-Si-Cu合金微弧氧化膜层的厚度与粗糙度测试结果。

(a)占空比

图2显示，在电流密度和频率一定条件下，不同占空比下膜层的物相组成都为单质Al、γ-Al2O3和ɑ-Al2O3，但是对比分析可见，占空比的增加会使得ɑ-Al2O3衍射峰逐渐增强，而基体Al衍射峰逐渐减弱，这主要是由于占空比的增加造成膜层厚度加大。此外，γ-Al2O3还会向ɑ-Al2O3发生部分转变。在占空比和频率一定条件下，不同电流密度下膜层的物相组成与不同占空比的膜层相似，且在较低的电流密度下(5和10A/dm2)，ɑ-Al2O3衍射峰相对较弱，而增加电流密度至15A/dm2以上时，ɑ-Al2O3衍射峰逐渐增强。不同电流密度下物相衍射峰强度的变化与膜层厚度有关，较大的电流密度下得到的膜层会相对较厚，因此，ɑ-Al2O3衍射峰强度会更高。在电流密度和占空比一定条件下，不同频率下膜层的物相组成没有发生改变，且随着频率增加，ɑ-Al2O3衍射峰强度减弱，这主要是由于频率的增加会加大熔融物喷射到表面的难度，膜层厚度相对更低，且单脉冲放电能量的降低会降低放电区温度而不利于γ-Al2O3向ɑ-Al2O3发生转变[3]。

图3为电流密度和频率不变条件下，改变占空比得到的膜层的显微形貌。

图3 不同占空比下膜层的显微形貌

图3显示，当占空比为20～50%时，表面膜层都较为平整，局部可见细小的熔融堆积物。对比分析可见，类圆形的熔融堆积物有随着占空比增加而不断增大的特征，且火山口状喷射熔融物有所增多，造成膜层粗糙度增加。此外，表面膜层中还可见细小的气孔，这主要是由于熔融物在熔化和凝固过程中积聚的气体逸出所形成[4]。

图4为占空比和频率不变条件下，改变电流密度得到的膜层的显微形貌。

图4 不同电流密度下膜层的显微形貌

图4显示，在较低的电流密度下(5A/dm2)，膜层较为平整，当电流密度增加至10A/dm2以上时，膜层表面熔融堆积物增多，但是膜层仍然较为平整；尤其是当电流密度增加至15A/dm2以上时，膜层表面可见明显微小气孔和火山口状熔融喷射物，这主要是由于电流密度的增加而提高局部放热并伴随有多次放电，膜层较厚而致密性相对较差[5]。

图5为占空比和电流密度不变条件下，改变频率得到的膜层的显微形貌。

图5显示，当频率在200Hz时，膜层表面喷射状熔融堆积物较多，并发现颗粒状物质以及放电细孔的存在，表面粗糙度较差；当频率增加至600Hz时，表面熔融堆积物含量和放电细孔数量都有所减少，膜层愈发平整和均匀；继续增加频率至800Hz以上时，膜层表面都较为平整，且表面熔融堆积物和放电细孔都明显减少。结合前述的表面膜层厚度、粗糙度和物相分析测试结果，优化出铝合金机械臂表面微弧氧化电参数为：占空比50%、电流密度10A/dm2、频率为600Hz，此时膜层平整、均匀、致密，厚度适中且粗糙度较低，预期具有良好的耐腐蚀性能和耐磨性能[6]。

铝合金基体和不同电参数下微弧氧化膜层的摩擦系数曲线如图6。

(a)占空比

图6显示，对比分析可见，不同电参数下微弧氧化膜层的摩擦系数都要小于铝合金基体，且随着滑动距离增加，铝合金基体的摩擦系数波动幅度较大，但基本都保持在0.8附近。在电流密度和频率不变，占空比为20%时，摩擦系数随着滑动距离增加而呈现逐渐上升的趋势，而当占空比增加至50%时，摩擦系数基本稳定在0.2左右，这主要是由于占空比为20%时的微弧氧化膜层表面的熔融堆积物会与摩擦副发生磨粒磨损而造成膜层剥落[7]，而占空比为50%时的膜层致密性和硬度较高，在摩擦过程中不会发生剥落而具有较优的耐磨性能；在占空比为频率不变条件下，电流密度为20A/dm2时的摩擦曲线与图6(a)的占空比为20%膜层的摩擦曲线相似，而电流密度为10A/dm2时的摩擦系数较为稳定且保持在最低水平；在占空比和电流密度不变时，频率为1000Hz时的摩擦系数介于基体和频率为600Hz时的膜层之间，且随着滑动距离增加，摩擦系数呈现先增加而后趋于稳定的特征，这主要是由于滑动初期，膜层表面熔融堆积物并不会完全脱落且膜层与摩擦副之间的磨粒较少，而随着滑动距离增加，在剥落和磨粒磨损双重作用下会加剧膜层的磨损[8]，此时摩擦系数会增大，而后期磨损趋于稳定。

表1为铝合金基材和不同电参数下膜层的磨损失重测试结果。对比分析可见，基材和膜层磨损失重测试结果与不同电参数下基体与膜层的摩擦系数随着滑动距离的变化曲线测试结果保持一致，即在相同电流密度与频率条件下，基体与膜层的耐磨性能从高至低为：占空比50%膜层>占空比20%膜层>基体；在相同占空比和频率条件下，基体与膜层的耐磨性能从高至低为：电流密度10A/dm2膜层>电流密度20A/dm2膜层>基体；在相同占空比和电流密度条件下，基体与膜层的耐磨性能从高至低为：频率600Hz膜层>频率1000Hz膜层>基体。整体而言，占空比50%、电流密度10A/dm2、频率为600Hz时膜层具有最佳的耐磨性能，这主要与膜层的致密性、物相组成和微观结构等有关[8-9]。

表1 基材和膜层的磨损失重测试结果

3结论

(1)在电流密度和频率一定条件下，随着占空比的增加，表面膜层的粗糙度和膜层厚度都表现为逐渐增加的趋势；在占空比和频率一定条件下，随着电流密度的增加，表面膜层的粗糙度和膜层厚度都表现为逐渐增加的趋势；在占空比和电流密度一定条件下，随着频率的增加，表面膜层的粗糙度和膜层厚度都表现为逐渐降低的趋势。

(2)不同电参数下膜层的物相组成都为单质Al、γ-Al2O3和ɑ-Al2O3；随着占空比和电流密度的增加，γ-Al2O3还会向ɑ-Al2O3发生转变，ɑ-Al2O3衍射峰强度会更高，而随着频率增加，ɑ-Al2O3衍射峰强度减弱。

(3)优化出铝合金机械臂表面微弧氧化电参数为占空比50%、电流密度10A/dm2、频率为600Hz；在相同电流密度与频率条件下，基体与膜层的耐磨性能从高至低为：占空比50%膜层>占空比20%膜层>基体；在相同占空比和频率条件下，基体与膜层的耐磨性能从高至低为：电流密度10A/dm2膜层>电流密度20A/dm2膜层>基体；在相同占空比和电流密度条件下，基体与膜层的耐磨性能从高至低为：频率600Hz膜层>频率1000Hz膜层>基体。