添加剂对铝合金微弧氧化陶瓷涂层结构和耐磨性能的影响

第２５卷　２００２正　第３期　５月　兵器材料科学与工程　０ＲＤＮＡＮＣＥ　ＭＡＴＥＲＩＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖ０１．２５　Ｎｏ．３　Ｍａｖ　２００２　

添加剂对铝合金微弧氧化陶瓷涂层结构　

和耐磨性能的影响　

熊仁章　，盛磊　，杨生荣　，余来贵　

（１．五二研究所宁波分所，宁波３１５０４１；２．兰州化物所固体润滑实验室，兰州７３００００）　

摘要：研究了微弧氧化电解液中，加入无机盐（钨酸钠）和颗粒（ｓｉｃ）添加剂，对铝合金表面微弧氧化陶瓷涂层结　构及性能的影响。结果表明，钨酸钠添加剂的加入不仅抑制了陶瓷涂层中多孔层的形成，而且对于改善涂层相结　构，提高陶瓷涂层耐磨性能也具有较为明显的作用；ＳｉＣ颗粒能够进入陶瓷涂层，进一步改善了涂层的耐磨性。　关键词：微弧氧化；陶瓷涂层；添加剂；耐磨性能　中图分类号：ＴＧ１７４．３５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—２４４Ｘ（２０ｏ２）Ｏ３—０Ｏ１７—０２　

微弧氧化技术可大幅度提高铝合金等有色金属　

的耐磨损、耐腐蚀、抗热冲击及绝缘性能，近年来受　到了极大地关注…。对于硅酸盐类微弧氧化工艺　

形成的涂层，基本组成相包括Ａ１２ｏ３（主要为ａ—　

Ａｌ２Ｏ３和７一Ａｌ２Ｏ３相）及Ａｌ－Ｓｉ—Ｏ，其耐磨性能主　

要与涂层结构等因素有关。大量的工艺试验表明，　

微弧氧化陶瓷涂层由内层的致密层（主要为Ａｌ２Ｏ３）　

和外层的多孔层（主要为Ａｌ—Ｓｉ—Ｏ）组成，致密层　

具有优异的硬度及耐磨性能，是陶瓷层的主要组成　

部分；而多孔层则因结构疏松，耐磨效果受到限　

制ｕ　Ｊ。为了进一步提高涂层的使用效果，本文从　

两个方面对微弧氧化陶瓷涂层进行了研究：一是加　

入无机添加剂，以期能降低多孔层在涂层中所占比　

例；二是加入增强剂，以提高多层的致密度，并提高　

其硬度，从而进一步改善陶瓷层的耐磨性。　

１试验材料及方法　

微弧氧化工艺在专用设备上进行。电解液采用　

碱性的硅酸盐水溶液。添加剂配方方案参见表１，　

试样编号和方案编号相同。金相试样为０８ｒａｍ×　

１５ｒａｍ的ＬＹ１２圆柱。磨损试样为外径４０ｒａｍ，内径　

１６ｒａｍ，高ｌＯｎ￣ｍ的ＬＹ１２圆环。试样表面粗糙度　

（Ｒａ）为０．８Ｍｍ。氧化时间均为１８０ｍｉｎ。　

对所有的金相试样用涡流涂层测厚仪测试了涂　

层的总厚度，用金相显微镜测量了涂层中致密层的　

厚度。用Ｈ一１０００型显微硬度计测量了涂层截面　的维氏硬度。ＸＲＤ在Ｄ／ｍａｘ—ｒＢ型ｘ射线衍射分　

析仪上进行。　

表１添加剂工艺实施方案　

工艺号　添加剂形式　

钨酸钠金属盐水溶液　ＳｉＣ粉末（直径２～３ｔａｎ）　

采用环一环无润滑的滑动摩擦方式测试了涂层　

的摩擦学性能。试验载荷为８０Ｎ，对磨标准试样采　

用ＧＣｒｌ５钢，淬火处理，硬度为ＨＲＣ　６２～６４。采用　

失重法测试了在１３．６８万转（摩擦行程约１７．２ｋｉｎ）　

后各涂层试样及对磨标准试样的磨损量，称量仪器　

使用精度为０．１ｍｇ的分析天平。　

２试验结果　

２．１涂层的厚度及显微硬度　

３种工艺所得涂层均包含两层结构，即靠近基　

体的致密层和表面多孔层。各试样涂层的厚度及硬　

度测试结果如表２所示。工艺２涂层的总厚度相对　

薄，但整个涂层中致密层的厚度却变化不大，导致其　

致密层在整个涂层中的比例明显增加。工艺２和３　

致密层截面显微硬度值范围基本相近，但略低于试　

样１。　

分析表明，钨酸钠添加剂由于对于氧化过程中　

多孔层的形成和增厚以及Ｓｉ的进入起到了抑制作　

＋收稿日期：２００１—１０—１６；修订日期：２００２一Ｏ１—２２　基金项目：本文受中科院兰州化物所固体润滑实验室基金（９８Ｏ２）和宁波市青年基金（０１Ｊ２０１Ｏ２—１３）资助　作者简介：８￣２％１（１９７５一），男，主要进行材料的表面涂层及表面改性研究，已发表各类论文十余篇。Ｅ—ｍａｉｌ：ｒＺｈｘｉｏｎｇ＠２６３．　

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用，并促进了致密层中Ａｌ２Ｏ３的形成。对于工艺３，　

ＳｉＣ颗粒添加剂直接进入了涂层，增加了涂层的平　

均硬度。上述两种添加剂对于微弧氧化涂层均有一　

定程度的改善。　

表２不同添加剂获得的涂层厚度及硬度　

比较项　ｌ　２　３　

涂层总厚度￣ｏ／ｔａｎ　１７８　１５０　１８０　致密层厚度６１／ｔａｎ　８５　８Ｏ　７Ｏ　６Ｉ／　×１００％４７．８　５３．３　３８．９　截面显微硬度／ＨＶ０　０５　ｌ　２ｏ０～１　７００　１　１５０　１　４００　１　３ｏ０～１　６５０　

ｌ５　２０　２５　３０　３５　４０　４５　５Ｏ　５５　６０　６５　７０　２　８　ａ一多孔层　

２　８　ｂ一致密层　图ｌ工艺３制备的陶瓷涂层的ＸＲＤ图谱　

３００　２５０　２００　冀ｌ５０　恤１００　

５０　

０　工艺ｌ　工艺２　工艺３　

图２不同工艺涂层的磨损量ａ及涂层摩擦系数ｂ　２．２涂层的相结构　

ＸＲＤ研究表明，３种工艺下制备的涂层，其相　

结构基本相同，但工艺３制备的涂层，在其多孔层中　

出现了ＳｉＣ相。试样３的陶瓷层及致密层的ＸＲＤ　

图谱如图ｌａ、ｂ所示。　

从图ｌａ中可见，除未氧化Ａｌ、　～ＳＩ－Ｏ以及　

Ａｌ２Ｏ３外，还有ＳｉＣ的部分衍射峰；图１ｂ表明，致密　

层主要由７一　２Ｏ３相和ａ—ＡＩ２０３组成，也含有少　

量的　一Ｓｉ—Ｏ相及未被氧化的Ａ】，没有发现ＳｉＣ　

的衍射信息。这说明适量钨酸钠的加入除了对致密　

层的比例产生影响外，不会影响陶瓷涂层的相结构；　

而ＳｉＣ颗粒没能到达致密层，但却大量进入多孔层　

并对该层硬度的提高产生了有利的影响。　

２．３涂层的耐磨性能　

图２ａ比较了上述涂层的耐磨损性能。其中，试　

样２涂层的磨损量最小，比试样１涂层的磨损量低　

３２％左右，试样２的对磨标准样磨损量也是３种工　

艺涂层中最小的。试样３涂层的磨损量比试样１低　

约２５％左右，但是其对磨标准试样的磨损量与试样　

１的对磨标准样相近。不同试样涂层与对磨标准试　

样的摩擦系数随摩擦行程的变化如图２ｂ所示。试　

样１和２的摩擦系数在整个磨擦过程中比较相近，　

且试样２在后期还略有下降。试样３的摩擦系数稍　

高，但在后期也呈下降趋势。　

由于３种工艺所得的涂层中，致密层和多孔层　

在厚度及硬度上存在差异，导致了涂层摩擦性能的　

不同。与工艺１相比较，工艺２的多孔层较薄，其摩　

擦损失较小；对于工艺３，ＳｉＣ颗粒的进入使得工艺　

３中的多孔层耐磨性提高，磨损量减小，同时，由于　

磨粒（ＳｉＣ）的增多，导致工艺３涂层的摩擦系数高于　

工艺１和２。但是，越往内层，ＳｉＣ颗粒越少，涂层　

成分越接近工艺１，这也正是工艺３涂层的摩擦系　

数在后期下降的原因。　

３　结论　

（１）钨酸钠添加剂的加入，能抑制微弧氧化陶　

瓷涂层中多孔层的增厚，使涂层中Ａｌ元素的氧化反　

应更加充分，有利于涂层中Ａｌ　（）３的形成。　

（２）加入钨酸钠添加剂，虽然涂层硬度略有下　

降，但更薄的多孔层可以有效地降低涂层的磨损量。　

（３）ＳｉＣ颗粒能够通过微弧氧化作用进入到一　

定深度的陶瓷涂层中，从而提高了涂层的耐磨性，同　

时也使涂层的摩擦系数变大。　（下转第２９页）

　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　纪岗昌等：超音速火焰喷涂Ｃｒ３　—ＮｉＣｒ金属陶瓷粒子加热熔化行为的模拟　２９　

焰喷涂ＷＣ—Ｃｏ涂层形成的影响［Ｊ］．表面工程，１９９７，　（２）：２２—２７　

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｈｅａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ＨＶＯＦ　ｓｐｒａｙｅｄ　Ｃｒ３　—ＮｉＣｒ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　

ＪＩ　Ｇａｎｇ—ｃｈａｎｇ　，ＬＩ　Ｗｅｎ—ｙａ　，ＹＡＮＧ　Ｇ讹　一ｊｕｎ　，ＬＩ　Ｃｈａｎｇ—ｊｉｕ　，ＢＡＩ　Ｓｈｉ—ｈｏｎｇ　

（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７２。Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｉ１　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４９，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｅａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｅｌｔｉｎｇ　ｂｅ—　ｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｃｒ３　—ＮｉＣｒ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｌｉｇｈｔ　ｗｉｔｈｉｎ　ＨＶＯＦ　ｆｌａｍｅ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　

ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｍｏｖａｂｌｅ　ｓｏｌｉｄ—ｌｉｑｕｉｄ　ｉｎｔｅｄａｃｅ．Ｃｘｘｎｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｓｍｏｏｔｈ　ｐｒｏｆｉｌｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｈｉｓｔｏｒｉｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｖｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ——ｌｉｑｕｉｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｃｌｅａｒｌｙ　ｅｘｈｉｂｉｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ＳＵｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ　１ｅＳＳ　ｔｅｄｉｏｕｓ　ａｌｇｅｂｒａｉｃ　ｗｏｒｋ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＨＶＯＦ；Ｃｒ３　—ＮｉＣｒ　ｃｅｒｍｅｔ　ｐｏｗｄｅｒ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　

（上接第１８页）　

参考文献：　

［１］Ｖｏｅｖｏｄｉｎ　Ａ　Ａ，Ｙｅｍｋｈｉｎ　Ａ　Ｌ，ｅｔ　ａ１．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ｗｅａｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　Ａ１——Ｓｉ——０　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　Ａ１——ｂａ￣：ｌ　

ａｌｌｏｙｓ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏ—ａｒｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｓｕｒｆａｃｅ＆　ｋ　ｄ‘＝　＾　０　＾　＾‘：　

Ｃｏａｔｉｎｇｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６，８６—８７：５１６—５２１．　［２］熊仁章．盛磊等．铝合金微弧氧化陶瓷层的耐磨性能　［Ｊ］．兵器材料科学与工程，２０００，２３（３）：２３—２５．　［３］王永康，熊仁章等．铝基复合材料微弧氧化陶瓷化技术　［Ｊ］．兵器材料科学与工程，１９９８，２１（４）：２５—２７．　

Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ａｄｄｉｔｉｖｅｓ　ｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　

ｏｆ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃｏａｔｉｎｇｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏ——ａｒｃ　ｏｘｉｄａｔｉｏｎ　ｏｎ　ＡＩ——ａｌｌｏｙ　ｓｕｒｆａｃｅ　

ＸＩＯＮＧ　Ｒｅｎ—ｚｈａｎｇ　，ＳＨＥＮＧ　Ｌｅｉ　，ＹＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇ—ｔｏｎｇ　，　—ｇｕｉ　

（１．Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ　３０３，Ｎｉｎｇｂｏ　３１５０４１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｏｌｉｄ　Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　Ｌａｂ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｎｆｉｓｔｒｙ　ａｎｄ　

Ｐｈｙｓｉ￣，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００００，Ｃｈｉｎａ）