劉超，蔡玉強(qiáng)

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

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脈沖頻率對(duì)鑄造鋁硅合金等離子體電解氧化陶瓷層的影響

劉超，蔡玉強(qiáng)

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

鑄造鋁硅合金；等離子體電解氧化；脈沖頻率；陶瓷層；耐磨性

為探討脈沖頻率對(duì)鑄造鋁硅合金等離子體電解氧化陶瓷層的影響，在硅酸鹽體系中采用不同脈沖頻率的等離子體電極氧化工藝對(duì)ADC12鋁合金進(jìn)行陶瓷層制備，研究了不同脈沖頻率對(duì)等離子體電解氧化陶瓷層微觀(guān)形貌的影響，并對(duì)陶瓷層的耐磨性能進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，不同脈沖頻率所制備陶瓷層的耐磨性能差異明顯，脈沖頻率為1 500 Hz所制備陶瓷層表現(xiàn)出了最優(yōu)的耐磨性。

等離子體電解氧化技術(shù)(Plasma electrolytic oxidation,簡(jiǎn)稱(chēng)PEO)，又稱(chēng)微弧氧化(MAO)，是一種直接在鋁、鎂、鈦及其合金表面原位生長(zhǎng)出以基體氧化物為主輔以電解質(zhì)成分的涂層的新方法[1-3]。通過(guò)等離子體電解氧化技術(shù)制備的PEO涂層具有與基體結(jié)合好、硬度高、耐磨損性好、耐腐蝕性能優(yōu)良、生物相容性等優(yōu)異特性[4]。

ADC12鋁合金是一種性能優(yōu)良的壓鑄用鋁合金，具有良好的鑄造性能、力學(xué)性能與切削性能，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件制造和航空航天等領(lǐng)域的零部件和結(jié)構(gòu)件，如缸體、活塞、帶輪等[5]。然而，其硬度低、耐磨性差等特點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍，為了擴(kuò)大鋁硅合金應(yīng)用范圍，延長(zhǎng)使用壽命，目前普遍采用表面處理的方法來(lái)克服其表面性能方面的缺點(diǎn)[6-8]，以提高其耐磨損等性能。

鑄造鋁硅合金由于其含硅量較高(>10%)，而硅會(huì)對(duì)PEO陶瓷層生長(zhǎng)有一定的抑制作用[9]。電源參數(shù)對(duì)陶瓷層性能有顯著影響，而電源參數(shù)中脈沖頻率對(duì)等離子體電解氧化陶瓷層生長(zhǎng)速率、耐磨性能影響最大[10-13]。而目前PEO技術(shù)應(yīng)用在鋁合金上的研究主要集中在低硅鋁合金如7075、6061鋁合金等，關(guān)于電源參數(shù)對(duì)高硅鋁合金PEO涂層生長(zhǎng)及性能影響的研究較少。針對(duì)上述問(wèn)題，以ADC12(含硅：9.6%～12%)試樣為基體，研究不同脈沖頻率對(duì)ADC12表面PEO陶瓷層性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品制備

試驗(yàn)用基體材料為鑄鋁ADC12鋁合金，尺寸為Φ38 mm×5 mm圓片試樣，成分列于表1，試樣在進(jìn)行PEO處理前，需先用200、400、800、1 000目砂紙依次打磨光滑，保證表面光潔度，然后經(jīng)丙酮、酒精、去離子水進(jìn)行超聲清洗處理，烘干備用。

表1 ADC12鋁合金化學(xué)成分(wt.%)

試樣作為陽(yáng)極，浸入在電解液中，不銹鋼電解槽作為陰極。采用WHD-30型等離子體電解氧化電源系統(tǒng)，水冷循環(huán)系統(tǒng)將電解液溫度控制在40 ℃以下。采用硅酸鹽弱堿性電解液，在恒流模式下，正向電流密度為10 A/dm2，正負(fù)向電流密度比1:1.2，占空比50%，PEO處理時(shí)間為1 h。

1.2 樣品分析與性能測(cè)試

采用XL30S-FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy，SEM)，對(duì)PEO陶瓷層的表截面形貌進(jìn)行分析。由于PEO陶瓷層絕緣性良好不導(dǎo)電，在進(jìn)行分析測(cè)量前，需對(duì)其表面進(jìn)行噴金處理。陶瓷層的相組成采用X射線(xiàn)衍射技術(shù)(X-ray diffraction，XRD)進(jìn)行研究，設(shè)備型號(hào)為X'Pert PRO MPD型，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用Cu和Kα射線(xiàn)，掃描速度2 °/min。采用MFT-4000型多功能材料表面性能試驗(yàn)儀，進(jìn)行PEO陶瓷層摩擦性能評(píng)估。該試驗(yàn)機(jī)為往復(fù)摩擦式試驗(yàn)機(jī)，摩擦球選用直徑為5 mm的Al2O3球，往復(fù)速度為200 mm/min，磨痕長(zhǎng)度為5 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 脈沖頻率對(duì)陶瓷層組織結(jié)構(gòu)的影響

圖1給出了不同脈沖頻率下PEO陶瓷層的表面形貌。圖1a給出了PEO陶瓷層的典型微觀(guān)形貌，由圖1可知，陶瓷層表面分布著較多的細(xì)小孔洞，局部位置存在尺寸較大的孔洞，孔洞周?chē)植贾罅渴杷傻奈⒓?xì)顆粒。50 Hz時(shí)，陶瓷層表面微裂紋的尺寸較小。由圖1b、c、d可知，在脈沖頻率較高時(shí)，陶瓷層表面的微裂紋缺陷的長(zhǎng)度增加，數(shù)量增多。PEO陶瓷層表面微裂紋的形成，主要是由于熱應(yīng)力引起的。脈沖頻率較高時(shí)，陶瓷層的微裂紋缺陷尺寸較大，說(shuō)明頻率高時(shí)，陶瓷層生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大。而隨著脈沖頻率的增加，陶瓷層表面孔洞缺陷的尺寸逐漸增加，這說(shuō)明頻率越高，PEO處理過(guò)程中后期放電越劇烈。

圖1 不同脈沖頻率下PEO陶瓷層的表面形貌

圖2給出了不同脈沖頻率下PEO陶瓷層的截面形貌，此截面均為將疏松層打掉后形貌。由圖2可知，隨著脈沖頻率的增加，陶瓷層表面由于放電擊穿產(chǎn)生的孔洞缺陷的數(shù)量逐漸減少，陶瓷層的致密性逐漸增加。不同脈沖頻率下陶瓷層的致密性差異較大主要是等離子體電解氧化過(guò)程中的能量強(qiáng)度不同所造成的。PEO陶瓷層的主要生長(zhǎng)過(guò)程為試樣表面的氧化物絕緣層在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下反復(fù)被擊穿，基體材料及其氧化物在微區(qū)微弧放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓下熔化并與電解液中的電解質(zhì)成分發(fā)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)，隨后從放電通道中噴出，在電解液的快速冷卻下迅速在基體表面形成隨機(jī)分布的微小的中心有孔的微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)在隨后微弧放電的作用下反復(fù)燒結(jié)相互覆蓋融合、不斷堆積，使陶瓷層的厚度及表面形貌不斷變化。

圖2 不同脈沖頻率下PEO陶瓷層的截面形貌

圖3給出了不同脈沖頻率下陶瓷層的XRD圖譜。由圖3可知，脈沖頻率對(duì)陶瓷層的相結(jié)構(gòu)有一定影響。脈沖頻率在50～100 Hz范圍時(shí)，陶瓷層主要由γ-Al2O3和非晶相組成，當(dāng)脈沖頻率達(dá)到1 500 Hz后，陶瓷層中生成了莫來(lái)石相，相組成開(kāi)始發(fā)生變化。

圖3 不同脈沖頻率下PEO陶瓷層的XRD圖譜

2.2 脈沖頻率對(duì)陶瓷層耐磨性的影響

圖4給出了不同脈沖頻率下摩擦系數(shù)-往復(fù)次數(shù)曲線(xiàn)，可以看出，陶瓷層與Al2O3球?qū)δr(shí)，第一階段摩擦系數(shù)快速上升到0.65后進(jìn)入過(guò)渡階段(第二階段)，此階段內(nèi)摩擦系數(shù)繼續(xù)緩慢增長(zhǎng)到0.7左右。50 Hz制備的試樣往復(fù)次數(shù)達(dá)到130次左右陶瓷層已經(jīng)磨掉，當(dāng)對(duì)磨球磨穿陶瓷層與基體對(duì)磨時(shí)，摩擦系數(shù)開(kāi)始急劇下降。隨著脈沖頻率的增大，陶瓷層的耐磨性顯增強(qiáng)后減弱，1 500 Hz下制備的陶瓷層直至往復(fù)次數(shù)達(dá)到1 600次左右陶瓷層開(kāi)始破壞失效，此脈沖頻率下制備的陶瓷層耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余4種試樣。這是由于隨著脈沖頻率的增加，陶瓷層的厚度、硬度、致密性都隨之增加，但當(dāng)頻率不斷增大陶瓷層會(huì)出現(xiàn)更多的微觀(guān)缺陷，表面微裂紋不斷增多，這就出現(xiàn)了頻率2 000 Hz下制備的陶瓷層耐磨性下降。

圖4 摩擦系數(shù)-往復(fù)次數(shù)曲線(xiàn)

圖5示出了不同頻率摩擦往復(fù)循環(huán)380次磨痕的橫截面輪廓。由于往復(fù)次數(shù)達(dá)到380次時(shí)低脈沖頻率的50 Hz、500 Hz所制備試樣表面陶瓷層已經(jīng)磨壞，此截面輪廓主要對(duì)比高頻率制備陶瓷層磨損情況。可以看出，往復(fù)次數(shù)達(dá)到380次時(shí)，高脈沖頻率1 500 Hz試樣表面陶瓷層主要表現(xiàn)為疏松層磨損，磨痕較淺(10 μm)，而此時(shí)2 000 Hz試樣表面陶瓷層磨損深度約為30 μm，即將進(jìn)入致密層；1 000 Hz試樣陶瓷層，摩擦球與陶瓷層摩擦產(chǎn)生了明顯的犁溝，磨痕的深度和寬度都達(dá)到3個(gè)試樣的最大值，磨痕深度約為55 μm，已經(jīng)即將與基體發(fā)生摩擦。從磨痕截面輪廓能給出陶瓷層耐磨性：1 500 Hz制備試樣>2 000 Hz制備試樣>1 000 Hz制備試樣。

圖5 磨痕的橫截面輪廓

3 結(jié)論

(1)通過(guò)觀(guān)察不同脈沖頻率所制備陶瓷層的表截面微觀(guān)形貌，脈沖頻率與PEO制備陶瓷層的致密性有直接關(guān)系。隨著脈沖頻率的提高，陶瓷層的致密性會(huì)提高，進(jìn)而提高陶瓷層耐磨性。

(2)綜合摩擦系數(shù)-往復(fù)次數(shù)曲線(xiàn)和磨痕的橫截面輪廓結(jié)果，脈沖頻率對(duì)PEO制備陶瓷層的耐磨性有很大影響，隨著脈沖頻率的不斷提到，陶瓷層耐磨性呈現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)，脈沖頻率為1 500 Hz時(shí)所制備陶瓷層耐磨性最優(yōu)。

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Effect of Pulse Frequency on Plasma Electrolytic Oxidation Ceramic Coating of Al-Si Alloy

LIU Chao,CAI Yu-qiang

(College of Mechanical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063210,China)

cast Al-Si alloy;plasma electrolytic oxidation;pulse frequency;ceramic coating;wear resistance

In order to investigate the effect of pulse frequency on the electrolytic oxidation of ceramic coating in Al-Si alloy,the ceramic coating of ADC12 aluminum alloy was prepared by plasma electrode oxidation with different pulse frequency in silicate system.The effect of different pulse frequency on the microstructure of the ceramic electrolytic oxidation coating was investigated,and the wear resistance of the ceramic coating was compared and analyzed.The results show that the wear resistance of ceramic coatings prepared at different pulse frequencies is obviously different,and the ceramic coatings prepared at the pulse frequency of 1 500 Hz show the best wear resistance.

2095-2716(2017)03-0052-05

2017-01-20

2017-05-03

TG178.2

A