添加剂对镁合金微弧氧化的影响

查康等添加剂对镁 合金微弧氧化的影响添加剂对镁合金微弧氧化的影响查康,魏晓伟(西华大学材料科学与工程学院四川成都610039 )[摘要]为了解添加剂对镁合金微弧氧化陶瓷膜的成膜速度及微观组织结构的影响用自制的微弧氧化实验装置对AZ91D压铸镁合金进行了微弧氧化并用SEM、XRD分析其微观组织结构。结果表明在槽液中添加Al复合化合物使起弧电压和稳态电压降低氧化陶瓷膜的生成速度增加、硬度增大膜层致密性提高陶瓷膜中的晶胞以垂直于基底面的方式生长陶瓷氧化膜中主要存在的相有Al203、MgAI204和MgO。但当含Al复合化合物的质量分数在30%以上时其致密性和硬度反而下降。.[关键词]压铸镁合金;微弧氧化;添加剂;微观组织[中图分类号]TC174. 451[文献标识码]B[文章编号]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-步研究和生产具有重要的意义。镁合金是目前实际应用中最轻的结构材料具有很高的比强1试验材料与方法度、比刚度、比弹性模量同时具有良好的可加工性、可焊接性、抗冲击性、铸造性和尺寸稳定性等优点其应用范围日渐广泛1。试验所用的材料为AZ91D合金铸錠(化学成分见表1 )将由于镁合金的化学性活泼在使用中极易被腐蚀,因此对其表面其加工成 30mm x 20mm x 4mm的试样并编号机械抛光后,用.的防护相当重要长期以来人们从化学及电化学等方面对镁合金化学方法去除污物使其表面活化591。用去离子水配制碱性的表面进行防护研究2。微弧氧化可在AI、Mg等轻金属的表面制NaAlO2溶液并向其中添加自配的添加剂,试验条件见表2。备-层陶瓷氧化膜人们对其在镁合金表面处理的研究中取得了表1熔炼后 AZ91D合金的化学成分不少的成就38。然而大多采用单- - 电解液进行处理电流大、高AlZnMnSiCuFeNiMg电压、能量消耗大特别是膜层的生长机制还不完全清楚关于成质量分数/% 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结构及生长问题有待于深入研究这对本试验采用自行研制的WDM20-500电源及微弧氧化装置于镁合金表面处理的发展及生产应用都具有十分重要的意义。对AZ91D合金进行微弧氧化,该电源总容量为30kW左右功鉴于镁合金的特点及其目前的表面处理现状本文在单一碱性电率因数不低于0.9负载持续率100%。空载电压为1000V ,电解液的基础上配制复合电解液以AZ91D为对象研究添加剂对流在0~ 30A的范围内可调。同时可以输出方波脉冲电流脉陶瓷膜生成速度及微观组织的影响这对于镁合金表面改性的进冲率在0~100Hz的范围内可调。微弧氧化试验装置如图1所[收稿日期]2006 -02 -20中国煤化工[作者简介]查康1975-)男重庆人讲师在职硕士主要从事表面处理方面的研究。MYHCNMHG56第35卷第4期表面技术Vol.35 NO.42006年8月SURFACE TECHNOLOGYAug.2006表2AZ91D合金微弧氧化试验条件有所降低。膜厚随含铝化合物含量的变化规律如图3所示。( 20 ~ 60C 25min 电流密度1A/dm2 )表4镁合金 AZ91D表面膜层厚度与电解液成分的关系号NaAlO2的添加剂的试样尺寸/mr编号23质量分数/%NaAlO2溶液/%1C10030 x20x4含铝化合物80 4C1(30 x20 x4的质量分数/%2(30x20x4膜厚/μm2.1 13.7 26.2 34.6 37.1 28.3处理时间/min15402.3添加剂对陶瓷膜层硬度的影响示。测量仪器为金相显微镜、SEM、X射线衍射仪、涡流测厚仪陶瓷膜层硬度随含Al化合物含量的变化见表5。由表5可( TT203A )显微硬度计( XMT-1000 )等。见随含Al化合物含量的增加膜的硬度增大,但当含AI化合物的质量分数大于30%时硬度反而有所下降。380V团表5含AI化合物的含量对膜层硬度的影响含AI化合物2030 40HV1510 1668 1856 2513 2647 24102.4添加剂对陶瓷 膜层的结构和组织的影响图4表示出了添加剂对氧化陶瓷膜表层的微观组织的影1.变压器2. 等离子微弧氧化电源3. 功率表4.镁合金试样5.不锈钢板6. 电解液7. 温度计8. 搅拌器9. PVC板电解槽向。由图4可见加入20%的添加剂后氧化陶瓷膜表层组织图1微弧氧化试验 装置示意图比未加入添加剂的更为致密显微孔洞细小图5为氧化陶瓷膜的截面组织结构在电流密度相同的条件下加入20%添加剂2试验结果的氧化膜的致密层更厚疏松层更薄并且较未加入添加剂的膜层致密。2.1添加剂对 处理电压的影响在电解液中加入含铝的添加剂起弧电压和稳态工作电压变化情况如表3和图2所示。由此可见起弧电压和稳态工作电压随含Al化合物含量的提高而降低,但在含AI化合物的质量分数为30%左右时起弧电压反而上升。20pm从表3中可以计算出,铝镁化合物的质量分数从0%升到a加入20%E添加剂b未加入添加剂20%~30%时起弧电压和相应的稳态电压降低了约35%;而图4陶瓷膜表层组织结构( SEM )从30%继续升到40%时起弧电压却回升了一些较30%时升疏松层。疏松高了21.2% ,同时稳态工作电压升高了37. 6%。表3 AI化合物对 微弧氧化电压的影响电流恒定值1A)I 致密层致密层Al化合物/%20 30 40氧化电压/V起弧36稳态440 310 284 287 3952602D中20μ "a加入20%e添加剂b未加入添加剂.图5微弧氧化陶瓷膜层截面的显微组织( 1A/dm2 )-稳态电压图6对比了加入20%添加剂和未加添加剂所获得的微弧300电氧化陶瓷膜层的显微组织结构。在图6a中氧化铝/氧化镁晶20020304010203040胞和其间的微孔几乎是垂直于基底面(被氧化基体的表面)生添加剂1%含Al化合物%图2 AI 化合物的质量分数图3 添加剂对氧化膜长的氧化膜致密而在图6b中这种生长方式不明显氧化铝/与微弧氧化电压的关系厚度的影响氧化镁晶胞及其间的微孔出现弯折或交叉膜层显得较疏松。2.2添加剂对陶瓷膜厚度的影响利用涡流测厚仪( Tr203A )对陶瓷膜进行测量得到的结果3 结果讨论 与分析见表4。可见随着电解液浓度的增加膜厚也增加尤其加入含Al化合物后膜厚明显增加表明添加剂的加入有助于成膜细末状粒径中国煤化工加入到NaAIO2速度的提高但当含铝化合物超过30%时陶瓷膜的厚度反而溶液中在溶液中fHCN MH G离形成导电离57查康等添加剂对镁合金微弧氧化的影响4结论1)在NaAl02单-电解液中加入含AI化合物可提高成膜速度。随着含Al化合物加入量的增加成膜速度增大但当其质20pm量分数超过30%后溶液黏度较大成膜速度反而下降。a加入20%添加剂b未加入添加剂2)随着含铝化合物的增加微弧氧化过程中的起弧电压和稳态工作电压下降能耗下降。而且由于含Al化合物微粒在图6微弧氧化陶瓷膜 层的显微组织结构( 1A/dm2 )子增加了溶液的导电性3北观察到起弧电压下降在相同的电陶瓷膜表面放电微孔碰撞和吸附作用使成膜速度提高,但含铝压、电流和时间下膜厚和致密性增加)。另-部分为分散质，化合物加入量过大 溶液的导电性会下降导致成膜速度下降。在氧化膜形成过程中此部分对微孔(-般孔径在8~10μm)可3 )表面膜层的组成相主要为A1203、 MgO、MgA1204相,即能具有吸附碰撞等作用,而进入微孔在电弧作用下与基体一添加含铝化合物后在陶瓷膜中出现了新相Al2O3,同时膜层的起参与氧化反应而形成陶瓷,所以陶瓷中的Al含量有所增大。致密性提高硬度增大。添加物的浓度提高膜厚增加致密均匀性良好。4)随着添加剂的加入陶瓷层中的微孔孔径减小,但数量在微弧氧化过程中膜孔的状态及其表面性质不同则呈现增多有助于Al化合物微粒的吸附使表面能降低出现柱状生的热力学性质不同具有不同程度的活性,这可视为本质因素，长方式 使微观结构改变。电解质、电流、电压、温度等可视为外部因素两方面因素不同的结合可得到不同的微弧氧化膜。从热力学上讲物质分散度很[参考文献]大的体系形成新相时比表面积及表面分子数与体积相比都是[1]曾小勤王渠东吕宜震等.镁合金应用新进展[ J]铸造, 1998 ,很大的此时物质的表面特性对化学反应和相变过程的影响应47( 11 )39-43着重考虑。由此可看出对于表面积不可忽略的体系热力学函2] 霍宏伟李瑛,王赫男等.镁合金的腐蚀与防护[ J]材料导报,数应由两部分组成,-部分是体相分子对整个体系热力学函数2001 ,15(7):25-27的贡献另-部分是表面层分子对整个热力学函数的贡献。在[3]李均明蒋百灵井晓天等.溶液电导率对LY2铝合金微弧氧化微弧氧化过程中由于含AI化合物的加入增加了电解液的导陶瓷层的生长速度和致密度的影响[ J1材料热处理学报,2003 ,电性这可使陶瓷层中的微孔孔径减小数量增多,有 助于Al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,来永春,邓志诚等镁合金微等离子体氧化膜的特性成并使生长方式改变。在图6a中氧化铝/氧化镁晶胞和其间[J]材料科学与工艺,1997 ;5(2) 89-92.的微孔几乎垂直于基底面(被氧化基体的表面)生长氧化膜致[5]薛文斌 邓志诚来永春等ZM5镁合金微弧氧化膜的生长规律密5]而在图6b中这种生长方式不明显氧化铝/氧化镁晶胞[ J].金属热处理学报, 1998 ,19(3):42-45 .及其间的微孔出现弯折或交叉现象膜层显得较疏松。[6]闫凤英,石玉龙周璇.微弧氧化电解液配方改良的初步研究J]图5表示出铝化合物的加入加快了膜的生成速度并使膜厚[7]唐培松贺子凯.电流密度对微弧氧化膜层厚度和硬度的影响电镀与涂饰,2003 22( 1)5-7增加膜的致密性更加良好。通过X能谱射线观察到试样膜层[J]表面技术2003 32(3)21-24的含铝成分明显增加。从图4观察到铝化合物的加入使微观组织致密性也增加,[8] 来永春施修龄华铭.铝合金表面等离子微弧氧化处理技术[ J].电镀与涂饰2003 22(3)13表面更加光滑均匀。进-步试验分析:利用10% NaAlO2溶液[9]李青. 镁的表面处理J]电镀与涂饰J995 14( 2)43-472L再加入30g铝化合物起弧电压264V稳态电压356V结束时温度21C处理时间30min。膜层的x射线衍射结果见图7 ,专 利名称涂膜形成方法及用该方法制得的车 辆用灯具表明经过前面的处理陶瓷层中Al2O, 的量有所增加。专利申请号001289790公开号 :12879336000ALO,申请人 株式会社小糸制作所5000▲MgO'申请人地址:日本东京40000- MgAlO,3000本发明提供了可提高涂膜对有机硅系保护膜的吸附.2000性的涂膜形成方法,以及利用该涂膜形成方法制得的车辆.)001o ix用灯具。进一步提供了通过在为保护形成了基材表面的”。蒸镀层压而形成的有机硅系保护膜表面附着含有硅氧烷。衔射角1°).键Si--0键)的涂料使涂膜对有机硅系保护膜的吸附力图7AZ91D镁合金微弧氧化膜x射线衍射图得以增大的涂膜形成方法,以及利用该方法制得的车辆用i.灯具。中国煤化工MYHCNMHG58