ZAlSi12Cu2Mg1微弧氧化过程中负向电压对陶瓷膜层形成的影响（稀有金属材料与

ZAlSi12Cu2Mg1ZAlSi12Cu2Mg1微弧氧化过程中负向电压对陶瓷膜层形成的微弧氧化过程中负向电压对陶瓷膜层形成的 影响 稀有金属材料与影响 稀有金属材料与 第36卷增刊3xx年9月稀有金属材料与工程RARE METALMATERIALS ANDENGINEERING Vo1 36 Supp1 3SeptemberxxZAISil2Cu2Mgl微弧氧化过程中负向 电压对陶瓷膜层形成的影响韩春霞 刘向东 刘彩文 刘永珍 王 晓军 内蒙古工业大学材料科学与工程学院 内蒙古呼和浩特010051 摘要在交流条件下 采用硅酸钠电解液 通过调节不同的负向电压 值 在ZA1Sil2Cu2Mgl合金表面制得了微弧氧化陶瓷膜层 研究了不同的负向电压值对陶瓷膜层形成过程的影响 结果表明负向电压从8Ov到l6Ov变化时 氧化时间从5r ain延长到65r ain 膜层厚度从28Bm增加到208Bm 致密度从O 267g cm增大到1 048g cm 特别是微弧氧化第2阶段氧化时间 在负向电压为l6O V时持续了32r ain 试样表面逐渐变粗糙 在电解液组成为NaSiO 8g L NaOH2g L Na2EDTA2g L下 适宜的正 负向电压值为480 140V 获得 厚度为l66um的膜层 XRD分析表明陶瓷层主要由莫来石 a A1203和y A1203以及氧化铝 的非晶物质组成 关键词微弧氧化 负向电压陶瓷膜层中图法分类号TG l74 4A1002 185X xx S3 117 O41引言微弧氧化是近年来对铝及其合金进行表面处 理的技术研究热点 它突破传统阳极氧化技术工作电压的限制 将工作区域引入到高压 放电区域 利用微弧区瞬间高温烧结作用直接在Al Ti Mg等有色 金属 也称阀金属 表面原位生长陶瓷层 从而提高基体材料的表面 性能ll 微弧氧化所采用的电源模式主要有直流电源 正弦交流电源 周期 反向脉冲电源 不对称 交流 电源以及脉冲电源 文献 2 指出 交流和脉冲工况下进行微弧氧化 所得陶瓷膜层具有 明显的优越性 采用不对称交流电源进行微弧氧化时 正 负向电压的作用是不相 同的 正向电压对陶瓷膜层性能的影响规律已有研究 负向电压对膜层形 成及性能的影响却尚未见报道 而负向电压对微弧氧化陶瓷膜层的 形成影响很大 本试验初步研究了采用不同负向电压值所获得的陶瓷膜层的形成过 程中 陶瓷膜层氧化时问 厚度 以及致密度的变化 并通过XRD分 析了陶瓷膜的相组成 2试验试验材料选用ZA1Si12Cu2Mg1 尺寸为20mm 40mm 3mm 且顶 端开rim的圆孔 其化学成分为Si11 0 13 0 Cu1 0 o 2 0 Mg0 4 1 0 Mn0 3 加 9 以铝丝悬挂浸入电解液中 采用哈尔滨工业大学研制的WHD一30型多功能微弧氧化装置进行表面 微弧氧化处理 电解液组成NaSiO38L NaOH2g L Na2EDTA2g L 采用去离子水配 置 电解槽外壁通以循环水冷却 内部吹入空气搅拌 正向电压480V 负向电压从80v到160V变化 电流随反应的进行由系统自动调节 采用D8Advance BrukerGermen XRD分析仪分析陶瓷膜层相组成 HCC一25型电涡流测厚仪测量膜层 厚度 3形成过程与试验现象3 1形成过程铝合金表面自然钝化存在大量缺 陷 电解质离子通过缺陷进入氧化膜后 在外加电场的作用下形成 放电中心 产生等离子放电 使氧离子 电解质离子与基体金属强 烈结合 同时放出大量的热 随着氧化时间的推移 氧化膜层缺陷成为放电通道 这是膜层最薄 弱的地方 在外电场作用下 不断被击穿 氧化 氧化层向内深入 增厚 同时伴随着激烈的等离子反应 电化学反应 大量的热所产生的熔 融物 由于反xx 09 20基金项目内蒙古科技攻关项目 xx0202 作者简介韩春霞 女 1979年生 硕士生 内蒙古工业大 学材料科学与工程学院 内蒙古呼和浩特010051 电话0471 65928 30稀有金属材料与工程第36卷应过程中体积膨胀 通过小孔通道被 排出流向了外部 并急剧冷却到电解液温度 3 形成陶瓷层 前人研究表明 钔 微弧氧化过程可概括为3个阶段 即阳极氧化阶 段 微弧氧化阶段和火花放电阶段 对应于试样表面现象为初始膜 层形成阶段 膜层的稳定增长阶段和膜层的增补阶段 但在本试验中 稍有不同 在微弧氧化反应阶段又分成两个阶段进行 当初始弧点逐渐减弱即将消失时 发现正向电流开始回升 同时弧 点再次出现 并逐渐完全覆盖试样表面 也就是说 在微弧氧化反应阶段 弧点两次完全覆盖试样表面 3 2试验现象本试验中 在负向电压为80V和100V时 微弧氧化反应 分别在5min和8min时弧点突然消失 反应结束 而负向电压在120 140 160V时 却没有发生类似的情况 同时 在负向电压为160V时 微弧氧化阶段反应较前几个电压值的 反应剧烈 电解液温度很快升高 试样表面出现大而亮的弧点 这是导致试样表面粗糙的直接原因 4结果与分析4 1微弧氧化反应正 负向电流变化图1是正 负向电 流的峰值随负向电压值变化曲线 由图可以看出 随着负向电压的提高 负向电流的峰值从13A上升到 25A 而正向电流的峰值在负向电压为140V时从8A升高到9A 160V时 达到11A 也就是说 负向电压的变化会影响微弧氧化过程 使反应过程中的 电流发生变化 Reverse Voltage V图l正负向电流峰值随负向电压值变化Fig 1Ef fect of currentpeak ofanode cathode onc hode volmge图2是微弧氧化反应过程中正向电流变化曲线 由图2可以看出 在ZA1Sil2Cu2Mgl表面生成微弧氧化陶瓷膜层时 正向电流从峰值处逐渐下降 同时试样表面弧点逐渐减弱 变小 在降到4A时 试样表面弧点基本消失 只有少许较小弧点存在 约10min后 电流又开始升高到5A 同时试样表面无弧点处又再次出 现弧点 且逐渐增多 20r ain后 电流升至8A 试样表面完全被弧点覆盖 进入微弧氧化反应 阶段的第2阶段 之后 正向峰值电流持续下降 直到熄弧 Oxidation Time t min图2正向电流随氧化时间变化Fig 2Change of the anodecu rentwith oxidation time4 2陶瓷层氧化时间变化图3所示为负向电压对微弧氧化时间的 影响 由图3可以看出 负向电压从80v升高到100V时 微弧氧化第1阶段氧 化时间从3min延长到5min 在120V时为6min 而当负向电压为140V 和160V时时间缩短为3min和2min 第2阶段氧化时间却明显延长 负向电压为100V时为1min 负向电压 为120v时为19min 160V时延长至32min 所以总的氧化时间延长 但是 在80v和100V 这两个电压值下 第2阶段氧化时间比第1阶段 氧化时间长 120V以后 第2阶段氧化时间明显比第1阶段氧化时间 长 且第1氧化阶段时间出现缩短情况 这是因为 在80reverse voltage v图3氧化时间随负向电压值变化fig 3e fect of oxidationtime oncathode voltage加m 甚q墨0 1il时pj时00增刊3韩春霞等za1si12cu 2mg1微弧氧化过程中负向电压对陶瓷膜层形成的影响v和100v这两个 电压值下 还未使微弧氧化出现两个阶段 而接着升高负向电压值 微弧氧化就出现了第2阶段 这说明 负向电压对微弧氧化过程的影响非常显著 试验中应严格 控制 但是 负向电压对微弧氧化过程的影响机理尚未清除 有待进一步 研究 4 3膜层厚度变化图图4是微弧氧化膜层厚度变化图 由图4看出 随着负向电压的升高 膜层厚度逐渐增加 从最初的28 m增厚到208m 这和氧化时间的变化相对应 电解液组成和正向电压不变情况下 氧化时间越长 所得膜层越厚 Reverse Voltage V图4膜层厚度随负向电压值变化Fig 4The thicknesschange ofceramic coatings4 4膜层致密度变化图5是试样致密度随膜层厚度的变化图 根据陶瓷层致密度的评定 可以用密度的变化量即平均密度来判断 其致密度的变化J 公式如下A Ad式中Am是试样在微弧氧化前后的质量变化量 A是试样的表面积 是膜层厚度 由图5可以看出 随着膜层厚度的增加 膜层的致密度由最初的0 2 67g cm逐渐增加到1 048g cm 也就是膜层孔隙率逐渐减小 负向电压为140v时 膜层孔隙率下降72 3 这是由于 在负向电压升高的过程中 电极之间电场力增强 微弧 氧化反应通道中反应离子数增多 氧化反应增强 熔融物增多 孔 隙率相应减小 同时 正负向电压变换过程中使得电解液中离子的重新分布和在试 样表面的吸附发生了变化 也会导致致密度的变化 而且 由于负向电压值对膜层形成过程的影响 使得在负向电压为1 60V时 氧化反应剧烈 电解液温度急剧升高 试样表面粗糙 Film Thickness d mm图5致密度随膜层厚度变化Fig 5Influence ofthe insulated intensity on the f ilm thickness4 5XRD分析图6是微弧氧化负向电压值为140V时的XRD分 析图 由图6可以看出 膜层中除了含有莫来石 0 一AI2O和y AI2O以外 其余为氧化铝的各种其它晶型物质和非晶物质 这与文 献 6 所得结果相符 而且由试验结果知 随着负向电压的升高 试样的相组成含量也有 变化 膜层中莫来石 y AI2O3的含量逐渐减小 0 一AI O的含量逐渐增加 而其它氧化铝的非晶物质逐渐减少 作者认为 膜层中0 一AI2O 含量的增加 是由于反应通道中熔融 物向外喷出时 由于温度太高 通道壁受热 使得已生成膜层中的y AI2O3受热 发生品型的变化 一部分生成0 一AI2O3所致 而膜层 中的0 一AIO OH 受热脱水也会生成0 一AI203 20 图6膜层的xrd图谱fig 6xrd patternofthecoating film parern5讨论zaisi12cu2mgi合金在交流电源条件下 以硅酸0000000 0000加642 120 稀有金属材料与工程第36卷钠的碱性溶液为电解 液 经微弧氧化得到了包含莫来石 一a12o3和一a12o3以及铝的 其它晶型的氧化物陶瓷膜层 随着负向电压的变化 形成过程不同 氧化时间 膜层厚度 致密 度均不相同 适当的调节负向电压值 可延长氧化时间 获得相应的膜层厚度 也就是说 采用交流电源模式时 正负向电压值有一组适宜的搭配 值 即一个成膜电压值 正向电压 有一个较好的负向电压值与之 匹配 在这种匹配下 可获得高致密度的陶瓷膜层 反应过程中 负向电压的调节 影响了膜层的形成过程 导致了反 应中正 负向电流的变化 而正向电流的回复现象也说明了陶瓷膜 层形成过程的变化 在不同的负向电压值下 反应过程中电极之间的电场力不同 离子 的迁移速度不同 进入各个反应通道中阴离子的数量就不同 在电 解液中的重新分配和在试样表面的吸附也不同 从而导致了熔融氧 化物形成过程的变化 这种变化使得微弧氧化时间发生变化 相应的膜层厚度也不同 而负向电压值的变化所引起的微弧氧化时间的变化 以及氧化反应 剧烈程度的增加还有待进一步研究 6结论1 交流电源条件下 一种电解液配方只有一组适宜的正 负向 电压值匹配 本试验研究的电解液组成为NaSiO38g L NaOH2g L Na2EDTA2g L 较好的正 负向电压值为480 140V 氧化时间55min 可获得16 6岬厚的陶瓷膜层 2 本试验中 调节负向电压到140V时 氧化时间 延长50min 膜层厚度增加138t am 孔隙率降低72 3 参考文献References 1 Wei Tongbo 魏同波 et a1 Materials Protection 材料保护 J xx 37 4 4 2 Zhang Wenhua 张文华 et a1 World NonferrousMetals 世界有色金属 J xx 1 43 3 Zhao Haoming 赵豪民 et a1 Materials Protection 材料保护 J xx 38 5 66 4 Li Shuhua 李淑华 et a1 Special Castingand NonferrousAlloy 特种铸造及有色合金 J xx 14 5 Zhang Rongjun 张荣军 Chang an UniversityMaster Paper 长安大学硕士论文 D Xi anChang an University xx14 6 Jiang Bailing 蒋百灵 et a1 Journal ofXi an University of Technology 西安理工大学学报 J 2000 16 2 138effect ofcathode voltagein micro arc oxidation onceramic coatingfilm ofzaisil2cu2m glalloy hanchunxia liu xiangdong liu caiwen liu yongzhen wang xiaojun school ofmaterials engineering inner mongolia university oftechnology huhhot010051 china abstractit isvery importantto researchthe efectofcathode voltageon the forming ofceramic coatings ceramic coatingsonthe surface ofzaisi i2cu2m gl alloywere obtainedin thesilicate sodiumelectrolyte atdi ferentcathode voltagevalues underthe alternatingcurrent conditions the efectofcathode voltagevalue onfor ming ofceramic coatingwas investigated the resultsshow thatwhile cathode voltage variesfrom80v to160v the oxidationtime increases f rom5to65min thefilm thicknessgrows from28岬to208岬 insulatedintensityincreasesfrom