添加劑對鎂合金微弧氧化的影響

查康等添加劑對鎂 合金微弧氧化的影響添加劑對鎂合金微弧氧化的影響查康,魏曉偉(西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院四川成都610039 )[摘要]為了解添加劑對鎂合金微弧氧化陶瓷膜的成膜速度及微觀(guān)組織結構的影響用自制的微弧氧化實(shí)驗裝置對AZ91D壓鑄鎂合金進(jìn)行了微弧氧化并用SEM、XRD分析其微觀(guān)組織結構。結果表明在槽液中添加Al復合化合物使起弧電壓和穩態(tài)電壓降低氧化陶瓷膜的生成速度增加、硬度增大膜層致密性提高陶瓷膜中的晶胞以垂直于基底面的方式生長(cháng)陶瓷氧化膜中主要存在的相有Al203、MgAI204和MgO。但當含Al復合化合物的質(zhì)量分數在30%以上時(shí)其致密性和硬度反而下降。.[關(guān)鍵詞]壓鑄鎂合金;微弧氧化;添加劑;微觀(guān)組織[中圖分類(lèi)號]TC174. 451[文獻標識碼]B[文章編號]1001 -3660( 2006 )04 -0056 -03Effect of Additive on Micro-plasma Oxide Film of Magnesium AlloyZHA Kang , WEI Xiao-wei( School of Materials Science and Engineering , Xihua University , Chengdu 610039 , China )[ Abstract ] In order to understand the effect of additive on the film forming speed and the microstructureof the micro-plasma oxide ceramic film of magnesium alloy , AZ91D die cast magnesium alloy are oxidized with aspecial micro-plasma apparatus , and the microstructure of ceramic film is investigated by SEM and XRD. Theresults show that the addition of additive containing Al to electronic solution enhances the film forming rate of 0x-ide film , increases its density and hardness( HV ) greatly and decreases the primary and steady plasma voltage.The crystal cellular in the ceramic film grows perpendicularly to base of AZ91 D alloy during micro-plasma oxida-tion , and the microstructure of the film consists of Al2O3 , MgAl204 and MgO phases. However , the density andhardness ( HV ) of the ceramic film decrease as the percentage of the compound additives is more than 30% .[ Key words ] Die cast magnesium alloy ; Micro-plasma oxidation ; Additive ; Microstructure0引言-步研究和生產(chǎn)具有重要的意義。鎂合金是目前實(shí)際應用中最輕的結構材料具有很高的比強1試驗材料與方法度、比剛度、比彈性模量同時(shí)具有良好的可加工性、可焊接性、抗沖擊性、鑄造性和尺寸穩定性等優(yōu)點(diǎn)其應用范圍日漸廣泛1。試驗所用的材料為AZ91D合金鑄錠(化學(xué)成分見(jiàn)表1 )將由于鎂合金的化學(xué)性活潑在使用中極易被腐蝕,因此對其表面其加工成 30mm x 20mm x 4mm的試樣并編號機械拋光后,用.的防護相當重要長(cháng)期以來(lái)人們從化學(xué)及電化學(xué)等方面對鎂合金化學(xué)方法去除污物使其表面活化591。用去離子水配制堿性的表面進(jìn)行防護研究2。微弧氧化可在A(yíng)I、Mg等輕金屬的表面制NaAlO2溶液并向其中添加自配的添加劑,試驗條件見(jiàn)表2。備-層陶瓷氧化膜人們對其在鎂合金表面處理的研究中取得了表1熔煉后 AZ91D合金的化學(xué)成分不少的成就38。然而大多采用單- - 電解液進(jìn)行處理電流大、高AlZnMnSiCuFeNiMg電壓、能量消耗大特別是膜層的生長(cháng)機制還不完全清楚關(guān)于成質(zhì)量分數/% 9.13 0.71 0.25 0.46 0.02 0.02 0.02 余量膜速度的提高及陶瓷膜的結構及生長(cháng)問(wèn)題有待于深入研究這對本試驗采用自行研制的WDM20-500電源及微弧氧化裝置于鎂合金表面處理的發(fā)展及生產(chǎn)應用都具有十分重要的意義。對AZ91D合金進(jìn)行微弧氧化,該電源總容量為30kW左右功鑒于鎂合金的特點(diǎn)及其目前的表面處理現狀本文在單一堿性電率因數不低于0.9負載持續率100%?？蛰d電壓為1000V ,電解液的基礎上配制復合電解液以AZ91D為對象研究添加劑對流在0~ 30A的范圍內可調。同時(shí)可以輸出方波脈沖電流脈陶瓷膜生成速度及微觀(guān)組織的影響這對于鎂合金表面改性的進(jìn)沖率在0~100Hz的范圍內可調。微弧氧化試驗裝置如圖1所[收稿日期]2006 -02 -20中國煤化工[作者簡(jiǎn)介]查康1975-)男重慶人講師在職碩士主要從事表面處理方面的研究。MYHCNMHG56第35卷第4期表面技術(shù)Vol.35 NO.42006年8月SURFACE TECHNOLOGYAug.2006表2AZ91D合金微弧氧化試驗條件有所降低。膜厚隨含鋁化合物含量的變化規律如圖3所示。( 20 ~ 60C 25min 電流密度1A/dm2 )表4鎂合金 AZ91D表面膜層厚度與電解液成分的關(guān)系號NaAlO2的添加劑的試樣尺寸/mr編號23質(zhì)量分數/%NaAlO2溶液/%1C10030 x20x4含鋁化合物80 4C1(30 x20 x4的質(zhì)量分數/%2(30x20x4膜厚/μm2.1 13.7 26.2 34.6 37.1 28.3處理時(shí)間/min15402.3添加劑對陶瓷膜層硬度的影響示。測量?jì)x器為金相顯微鏡、SEM、X射線(xiàn)衍射儀、渦流測厚儀陶瓷膜層硬度隨含Al化合物含量的變化見(jiàn)表5。由表5可( TT203A )顯微硬度計( XMT-1000 )等。見(jiàn)隨含Al化合物含量的增加膜的硬度增大,但當含AI化合物的質(zhì)量分數大于30%時(shí)硬度反而有所下降。380V團表5含AI化合物的含量對膜層硬度的影響含AI化合物2030 40HV1510 1668 1856 2513 2647 24102.4添加劑對陶瓷 膜層的結構和組織的影響圖4表示出了添加劑對氧化陶瓷膜表層的微觀(guān)組織的影1.變壓器2. 等離子微弧氧化電源3. 功率表4.鎂合金試樣5.不銹鋼板6. 電解液7. 溫度計8. 攪拌器9. PVC板電解槽向。由圖4可見(jiàn)加入20%的添加劑后氧化陶瓷膜表層組織圖1微弧氧化試驗 裝置示意圖比未加入添加劑的更為致密顯微孔洞細小圖5為氧化陶瓷膜的截面組織結構在電流密度相同的條件下加入20%添加劑2試驗結果的氧化膜的致密層更厚疏松層更薄并且較未加入添加劑的膜層致密。2.1添加劑對 處理電壓的影響在電解液中加入含鋁的添加劑起弧電壓和穩態(tài)工作電壓變化情況如表3和圖2所示。由此可見(jiàn)起弧電壓和穩態(tài)工作電壓隨含Al化合物含量的提高而降低,但在含AI化合物的質(zhì)量分數為30%左右時(shí)起弧電壓反而上升。20pm從表3中可以計算出,鋁鎂化合物的質(zhì)量分數從0%升到a加入20%E添加劑b未加入添加劑20%~30%時(shí)起弧電壓和相應的穩態(tài)電壓降低了約35%;而圖4陶瓷膜表層組織結構( SEM )從30%繼續升到40%時(shí)起弧電壓卻回升了一些較30%時(shí)升疏松層。疏松高了21.2% ,同時(shí)穩態(tài)工作電壓升高了37. 6%。表3 AI化合物對 微弧氧化電壓的影響電流恒定值1A)I 致密層致密層Al化合物/%20 30 40氧化電壓/V起弧36穩態(tài)440 310 284 287 3952602D中20μ "a加入20%e添加劑b未加入添加劑.圖5微弧氧化陶瓷膜層截面的顯微組織( 1A/dm2 )-穩態(tài)電壓圖6對比了加入20%添加劑和未加添加劑所獲得的微弧300電氧化陶瓷膜層的顯微組織結構。在圖6a中氧化鋁/氧化鎂晶20020304010203040胞和其間的微孔幾乎是垂直于基底面(被氧化基體的表面)生添加劑1%含Al化合物%圖2 AI 化合物的質(zhì)量分數圖3 添加劑對氧化膜長(cháng)的氧化膜致密而在圖6b中這種生長(cháng)方式不明顯氧化鋁/與微弧氧化電壓的關(guān)系厚度的影響氧化鎂晶胞及其間的微孔出現彎折或交叉膜層顯得較疏松。2.2添加劑對陶瓷膜厚度的影響利用渦流測厚儀( Tr203A )對陶瓷膜進(jìn)行測量得到的結果3 結果討論 與分析見(jiàn)表4?？梢?jiàn)隨著(zhù)電解液濃度的增加膜厚也增加尤其加入含Al化合物后膜厚明顯增加表明添加劑的加入有助于成膜細末狀粒徑中國煤化工加入到NaAIO2速度的提高但當含鋁化合物超過(guò)30%時(shí)陶瓷膜的厚度反而溶液中在溶液中fHCN MH G離形成導電離57查康等添加劑對鎂合金微弧氧化的影響4結論1)在NaAl02單-電解液中加入含AI化合物可提高成膜速度。隨著(zhù)含Al化合物加入量的增加成膜速度增大但當其質(zhì)20pm量分數超過(guò)30%后溶液黏度較大成膜速度反而下降。a加入20%添加劑b未加入添加劑2)隨著(zhù)含鋁化合物的增加微弧氧化過(guò)程中的起弧電壓和穩態(tài)工作電壓下降能耗下降。而且由于含Al化合物微粒在圖6微弧氧化陶瓷膜 層的顯微組織結構( 1A/dm2 )子增加了溶液的導電性3北觀(guān)察到起弧電壓下降在相同的電陶瓷膜表面放電微孔碰撞和吸附作用使成膜速度提高,但含鋁壓、電流和時(shí)間下膜厚和致密性增加)。另-部分為分散質(zhì)，化合物加入量過(guò)大 溶液的導電性會(huì )下降導致成膜速度下降。在氧化膜形成過(guò)程中此部分對微孔(-般孔徑在8~10μm)可3 )表面膜層的組成相主要為A1203、 MgO、MgA1204相,即能具有吸附碰撞等作用,而進(jìn)入微孔在電弧作用下與基體一添加含鋁化合物后在陶瓷膜中出現了新相Al2O3,同時(shí)膜層的起參與氧化反應而形成陶瓷,所以陶瓷中的Al含量有所增大。致密性提高硬度增大。添加物的濃度提高膜厚增加致密均勻性良好。4)隨著(zhù)添加劑的加入陶瓷層中的微孔孔徑減小,但數量在微弧氧化過(guò)程中膜孔的狀態(tài)及其表面性質(zhì)不同則呈現增多有助于A(yíng)l化合物微粒的吸附使表面能降低出現柱狀生的熱力學(xué)性質(zhì)不同具有不同程度的活性,這可視為本質(zhì)因素，長(cháng)方式 使微觀(guān)結構改變。電解質(zhì)、電流、電壓、溫度等可視為外部因素兩方面因素不同的結合可得到不同的微弧氧化膜。從熱力學(xué)上講物質(zhì)分散度很[參考文獻]大的體系形成新相時(shí)比表面積及表面分子數與體積相比都是[1]曾小勤王渠東呂宜震等.鎂合金應用新進(jìn)展[ J]鑄造, 1998 ,很大的此時(shí)物質(zhì)的表面特性對化學(xué)反應和相變過(guò)程的影響應47( 11 )39-43著(zhù)重考慮。由此可看出對于表面積不可忽略的體系熱力學(xué)函2] 霍宏偉李瑛,王赫男等.鎂合金的腐蝕與防護[ J]材料導報,數應由兩部分組成,-部分是體相分子對整個(gè)體系熱力學(xué)函數2001 ,15(7):25-27的貢獻另-部分是表面層分子對整個(gè)熱力學(xué)函數的貢獻。在[3]李均明蔣百靈井曉天等.溶液電導率對LY2鋁合金微弧氧化微弧氧化過(guò)程中由于含AI化合物的加入增加了電解液的導陶瓷層的生長(cháng)速度和致密度的影響[ J1材料熱處理學(xué)報,2003 ,電性這可使陶瓷層中的微孔孔徑減小數量增多,有 助于A(yíng)l化24( 1 ):63-65合物微粒的吸附,使表面能降低,因而有利于氧化陶瓷膜的形[4]薛文斌,來(lái)永春,鄧志誠等鎂合金微等離子體氧化膜的特性成并使生長(cháng)方式改變。在圖6a中氧化鋁/氧化鎂晶胞和其間[J]材料科學(xué)與工藝,1997 ;5(2) 89-92.的微孔幾乎垂直于基底面(被氧化基體的表面)生長(cháng)氧化膜致[5]薛文斌 鄧志誠來(lái)永春等ZM5鎂合金微弧氧化膜的生長(cháng)規律密5]而在圖6b中這種生長(cháng)方式不明顯氧化鋁/氧化鎂晶胞[ J].金屬熱處理學(xué)報, 1998 ,19(3):42-45 .及其間的微孔出現彎折或交叉現象膜層顯得較疏松。[6]閆鳳英,石玉龍周璇.微弧氧化電解液配方改良的初步研究J]圖5表示出鋁化合物的加入加快了膜的生成速度并使膜厚[7]唐培松賀子凱.電流密度對微弧氧化膜層厚度和硬度的影響電鍍與涂飾,2003 22( 1)5-7增加膜的致密性更加良好。通過(guò)X能譜射線(xiàn)觀(guān)察到試樣膜層[J]表面技術(shù)2003 32(3)21-24的含鋁成分明顯增加。從圖4觀(guān)察到鋁化合物的加入使微觀(guān)組織致密性也增加,[8] 來(lái)永春施修齡華銘.鋁合金表面等離子微弧氧化處理技術(shù)[ J].電鍍與涂飾2003 22(3)13表面更加光滑均勻。進(jìn)-步試驗分析:利用10% NaAlO2溶液[9]李青. 鎂的表面處理J]電鍍與涂飾J995 14( 2)43-472L再加入30g鋁化合物起弧電壓264V穩態(tài)電壓356V結束時(shí)溫度21C處理時(shí)間30min。膜層的x射線(xiàn)衍射結果見(jiàn)圖7 ,專(zhuān) 利名稱(chēng)涂膜形成方法及用該方法制得的車(chē) 輛用燈具表明經(jīng)過(guò)前面的處理陶瓷層中Al2O, 的量有所增加。專(zhuān)利申請號001289790公開(kāi)號 :12879336000ALO,申請人 株式會(huì )社小糸制作所5000▲MgO'申請人地址:日本東京40000- MgAlO,3000本發(fā)明提供了可提高涂膜對有機硅系保護膜的吸附.2000性的涂膜形成方法,以及利用該涂膜形成方法制得的車(chē)輛.)001o ix用燈具。進(jìn)一步提供了通過(guò)在為保護形成了基材表面的”。蒸鍍層壓而形成的有機硅系保護膜表面附著(zhù)含有硅氧烷。銜射角1°).鍵Si--0鍵)的涂料使涂膜對有機硅系保護膜的吸附力圖7AZ91D鎂合金微弧氧化膜x射線(xiàn)衍射圖得以增大的涂膜形成方法,以及利用該方法制得的車(chē)輛用i.燈具。中國煤化工MYHCNMHG58