铝合金微弧氧化工艺产业化研究
2022-02-03
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维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年・第1期 技术与研究 中国材料科技与设备(双月刊) 铝合金微弧氧化工艺产业化研究 邵志松 ,赵晴,周雅,刘炳根 (南昌航空大学材料科学与工程学院,江西南昌 330063) 摘要:研究了影响铝合金微弧氧化产业化的各种因素,结果表明:硅酸钠有利于成膜,但含量不宜太高;添加剂A含量增 加会减少膜厚,但可以使膜层表面孔径变细,光滑度增加,膜层耐磨性变好;高电流密度有利于膜的生成,但发热严重;防烧剂 B能彻底解决了铝合金微弧氧化膜层在高温下的烧蚀问题;脉冲电流对防止膜层烧蚀有一定作用,但是会降低成膜速率。铝 合金本身材质对成膜有较大影响,可溶性杂质含量偏高会推迟起弧时间,导致膜层舒松,耐磨性下降。优化后的工艺环保,能 耗低,电解液使用寿命长,现已进行实际生产,得到的膜层耐磨性和耐蚀性均满足厂家要求。 关键词:铝合金;微弧氧化;防烧剂;产业化 中图分类号:TQl73.764-4 文献标识码:A 保工艺开发研究,在保证产品耐磨性和耐蚀性基础上,同时 0 引言 铝及其合金具有比强度高,良好的导热和导电性、反光 性强、塑性好,成型性好、无低温脆性等优点,是一种具有优 降低生产成本,达到工业化量产要求。 1 实验方法 1.1仪器和实验材料 主要试验设备: 采用广州精源生产JYw一5O多功能微弧氧化电源进行 实验。 良综合性能的有色金属材料,被广泛应用于现代汽车工业、 航天工业、电子通讯业、计算机行业。但是由于铝本身质地 软,腐蚀电位较负,容易受到磨损和腐蚀,因此在实际应用中 对铝和铝合金进行适当的表面处理以增强其表面能力已成 为必不可少的工艺之一。 3459键统计型涡流测厚仪测量铝阳极氧化膜的厚度。 微弧氧化技术是目前阀门金属表面改性技术中的一个 研究热点,利用微弧氧化技术对材料进行表面改性和表面防 护以及制造新的结构材料受到越来越大重视。这项技术可 实验材料、药品和规格: 阳极:锻铝6063产品,表面积ldm 阴极:不锈钢,表面积1dm 以在铝、钛、镁、锆等金属及其合金表面形成具有一系列优异 性能的陶瓷膜层 ]。此技术应用于铝合金上,能够将铝合金 材料与陶瓷材料的优点达到完美的结合,所形成的氧化陶瓷 膜不仅具有阳极氧化膜的优良结合力,还具有较高的硬度, 起到防腐耐磨等作用。 目前国内外都对微弧氧化技术做了大量研究,俄罗斯在 这方面处于领先地位,除了形成了自己的理论还将一些技术 硅酸钠,钨酸钠,丙三醇,酒石酸,添加剂A,防烧剂B 1.2微弧氧化工艺流程 模拟经研磨抛光的铝件氧化生产工艺,即弱碱性除油一 水洗一微弧氧化一水洗一吹干。 2 结果和讨论 2.1基础电解液的开发 2.1-1 硅酸钠对成膜的影响 硅酸钠对铝合金微弧起较好的促进作用,它可以降低起 弧电压,对一些不能起弧的电解液体系,在添加了一定的硅 酸钠以后,铝合金表面也能够发生火花放电。实验得到硅酸 钠浓度和膜层厚度的关系如图1所示,试样微弧氧化膜厚度 硅酸钠浓度的增大而增加,但是同时观察到膜层表面也随着 硅酸钠含量的增加而变粗糙。 进行了出口。在我国微弧氧化技术见诸于文献报道只是近 十年的历史,这几年主要有西安交通大学、北京师范大学等 研究机构在做研究,且主要研究工作集中在成膜机理,配方 开发等方面,整个研究还处在实验室研究阶段,大规模的量 产还没有_2]。限制微弧氧化技术大规模应用主要有下面几 个问题: (1)工作电压较高(500V以上),电流密度大(10~20A/ dm。)给工业化量产设备制造(特别是大功率电源)带来 困难; (2)氧化过程中散热多,电解液温度上升较快难以控制, 需配备较大容量的制冷和热交换设备; 根据微弧氧化杂质离子中心放电理论,氧原子比高的酸 根离子很容易吸附到铝合金基体或陶瓷层的表面,形成外来 (3)电流效率低,能源浪费严重,经济效益差。 本研究针对厂方提供的锻铝6063产品进行微弧氧化环 杂质放电中心,产生等离子体放电,使氧离子、电解质离子与 铝基体强烈结合,同时放出大量的热,使形成的氧化膜层在 *作者简介:邵志松(1979一),男,助教,主要从事有色金属表面转化膜方面的研究。电话:13870872lO4,E—mail:shaozhison ̄ @126 kttp //驯弛’驯.cmasteq.c刀;弛’议J弛,.heatind.c刀・82・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国材料科技与设备(双月刊) 铝合金微弧氧化工艺产业化研究 2008年・第1期 表面熔融、烧结,形成具有陶瓷结构的膜层口]。因此,硅酸钠 被认为微弧氧化的促进剂,在镁、钛、铝合金的微弧氧化中得 到广泛运用。随硅酸钠含量的增加,通过电迁移而吸附到阳 度逐渐减少。膜层变薄的原因是添加剂A在界面吸附增 加,一方面使水在界面电解反应受到一定阻碍,产生活性。 原子减少,氧化反应减慢。另一方面是添加剂A与SiO。 在阳极界面产生竞争吸附而导致SiO。 离子变少,杂质放 极表面的SiO。 增加,杂质放电中心增多,有利于膜的生 一暑11)s∞0口]Iu一专∞暑Il 0 6 7 5 长。同时,si0。 的加入使得陶瓷层颗粒粗大,7 6 5 4 3 也有利于氧 2 在陶瓷层中的扩散,所以氧化层增厚 ]。 1U 12 14 1O Na2SiO,concentration(g/L) 图1 Na si0。浓度与膜层厚度的关系 Fig.1 Relationship between films thickness and Na2 SiO3 concentration Addition A 8 g/L, Na2WO41 g/L,DA一1.5 A/dm ,t一30min 但是,硅酸钠浓度并不是越高越好,由于硅酸钠为强碱 弱酸盐,在水溶液中电离后,pH值会升高,在高浓度下pH 值甚至超过14。铝是两性金属,在pH值较高的情况下会发 生溶解。微弧氧化膜只有在生成速度大于溶解速度时才能 够增厚。因此,较高溶度的硅酸钠不利于成膜,当硅酸钠含 量达到20g/L时,起弧时间明显变长,由一般情况下的2min 延长到了8min。从图1也看出,当含量超过14g/L时,膜层 增加幅度也变小。因此,本工艺将硅酸纳控制在20g/L 以下。 2.1.2 添加剂A对成膜的影响 实验发现,单纯以硅酸钠为主盐并不能得到优良的膜 层。硅酸钠促进了膜层的生长,但SiO。 的加入也使得陶 瓷层颗粒会粗大,因此膜层越厚,表面越粗糙。经对磨实验 发现,膜层耐磨性不好,很容易磨穿露底,达不到厂方要求。 因此,在电解液中增加了添加剂A。 添加剂A浓度对膜层厚度的影响,结果如图2。 /\ / \ L一一一.:. Addition A concentration(g/L) 图2添加剂A浓度与膜厚的关系 Fig.2 Relationship between film thickness and addition A concentration Na2 SiO3 1 2g/L, Na2WO4 lg/L,DA一1.5A/dm ,t一30min 由图2可知,随添加剂A浓度的增加微弧氧化膜的厚 ・83・http://u,w议^cmasteq.Crl;WWW.heatind.Cn 电中心相应减少而导致膜层变薄。由于添加剂A,阻碍膜层 中晶体的长大,因而膜层晶粒变细,得到的微弧氧化膜表面 的光滑度随着添加剂A含量增加逐渐增加。同时晶粒的细 化起到细晶强化效果,对磨实验发现,膜层耐磨性有了较大 提高,在一定厚度下,膜层不会再出现磨穿露底现象。 添加剂A的含量一般可以根据耐磨性要求进行确定, 一般控制在6—20 g/L。所加的含量过高,得到的膜层太 薄,同时也容易引起膜层烧蚀,但是所加含量太少,起不到细 化膜层,增加耐磨性的目的。 2.2防烧剂B的筛选 通过配方优化,能够保证工件在8O℃以下电解液中微 弧氧化不会烧蚀。为维持温度在8O℃以下,仍需要大量的 冷却水进行,造成较大的能源消耗,特别在水压不够情况下, 冷却速率不够就会有电解液温度超过80*(2,膜层烧蚀而使 工件报废的潜在危险。 根据阳极化尖端放电理论,实验选用了一些吸附性防烧 剂,如酒石酸、丙三醇,效果比较好的是丙三醇。当丙三醇含 量为lOml/L时,膜层抗烧蚀能力有一定改善,在9O℃的电 解液中能得到合格的膜层。但是,丙三醇在阳极火花放电时 产生的高温下易分解。一般电解液在经过5次微弧氧化后, 就由开始的澄清变成淡黄色。从工业化生产上来说,消耗如 此多的丙三醇进行防烧是不经济的。 经过不断实验筛选,最终确定了防烧剂B,为本工艺的 最佳组分之一。它用量少,只要1—2 ml/L就能起到优良的 防烧蚀效果,实验中,工件在100℃沸腾的电解液中长时间 氧化都没有出现烧蚀现象。 2.3 电流密度的选择 电流密度对微弧氧化膜有重要影响,如图3显示了电流 密度和膜层厚度的关系,从图中可见随电流密度的增大,陶 瓷膜的生长速度加快,膜层厚度明显增加。 微弧氧化时成膜的能量主要来源于电能,电流密度的增 加必然使电花增强,等离子放电强度的增加有利与陶瓷膜的 烧结,因此膜层厚度会随电流密度增加而增加。但是,电流 密度的增加,会带来了三个不利方面:一是电解液由于电阻 存在而发热加剧;二是电火花产生的热能增加i三是膜层结 晶发出潜热增加。这些热量会导致电解液迅速升温,而改变 电解质中部分粒子或离子运动和吸附性质,最终导致膜层性 能降低,常见的就是膜层被烧蚀。因而在实际生产中要得到 好的膜层,就需要强大的冷冻设备,经济性十分的差,因此采 用高电流密度进行微弧氧化并不可取。 本工艺在研究了总电量E不变情况测量下不同电流密 度下的电流效率(以微弧氧化膜厚度为参照标准)。电量E —U*I*t,因终止电压一般为480V左右变化不大,定性分 析时将其视为恒量。因此,保持电流I与氧化时间t的乘积 为一定量,即保持E恒定。实验结果如表1。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年・第1期 技术与研究 中国材料科技与设备(双月刊) 图3 电流密度对膜层厚度的关系 Fig.3 Relationship between films thickness and current density Addition A 8 g/L,Na2 SiO3 1 2g/L Na2WO4 1 g/i 。t一30min 由表1可以看出总电量保持不变,电流密度增大时,膜 层厚度增加,即大电流密度的电流效率更高,但是,膜层厚度 相差并不是很大。考虑到工业生产时,一次处理铝合金面积 较大,采用大电流密度要求电源设备的设计功率要很大,不 容易制造,而且安全系数低,所以该工艺配方选用D 一1.5 2 A/din 。在此电流密度下,放热相对缓慢,只需要普通 冷却水就可以基本稳定电解液温度,为工艺量产打下了坚实 基础。 一;Hi— mu uz一;II k 表1 E恒定情况下电流密度同膜厚的关系 ” ¨ Tab.1 Relationship between films thickness and current density in the case of E invariable 2.4通电方式对成膜影响 实验采用了两种通电方式,直流脉冲和直流。微弧氧化 电源的脉冲占空比范围0—90 ,当占空比超过9O ,电源 以直流方式工作。实验测得在平均电流密度一定情况占空 比与膜厚的关系曲线如图4所示。 从图4可以看出,在直流脉冲条件下,膜厚随着占空比 的加大而增加。在微弧氧化过程中,陶瓷膜生成的同时也会 溶解,存在生成与溶解的动态平衡。随着占空比增大,导通 的时间增大,陶瓷膜生成的时间延长,而膜溶解的时间缩短, 因此,膜厚会存在增加的趋势。直流通电方式下成膜速度要 比直流脉冲状态下快,在工业化生产时有助于提高生产 效率。 实验中发现直流脉冲有助于提高膜层抗烧蚀能力, 占空比越低,膜层抗烧蚀能力越强,但效果不是十分理 想,一般能够将电解液温度提高10℃而保证膜层不会烧 蚀。因为在没有脉冲波时火花放电得不到电量补充而无 法扩大连成一片。由此,要想通过脉冲方式提高膜层抗 蚀能力,就要电源工作在比较小的占空比状态。在平均 电流一定的情况,就要求有很高的脉冲峰值电流,给电源 制造带了困难。 综合以上两个因素,选择直流电源更适合工业量产。 40 4 ’ll , 0u 02, ,__ Dut) clc(%1 图4 占空比与膜层厚度的关系 Fig4 Relationship between films thickness and duty cycle Addition A 8 g/L,Na2 SiO3 1 2g/I , Na2 WO4 1 g/I 。addtion B lml/L, DA一1.5 A/dm 。t一30min 2.5铝合金材质对成膜的影响 实验中发现,相同的工艺由于试样不同得到膜层状况却 不一样。原因是提供实验的试样来源于不同的厂家,经扫描 电镜分析后,发现各个试样含有的杂质确实不一样,有的甚 至不在锻铝6063成分范围内。 铝合金可溶杂质含量不能太高,这些杂质由于在阳极溶 解,一方面会破坏钝化膜的生成,另一方面是杂质溶解后会 留下孔穴导致膜层疏松。实验发现当铁元素含量超过1 时,得到的微弧氧化膜明显粗糙,光滑度不够。对磨时出现 颗粒脱落,导致膜层被划伤。因此,微弧氧化时,要求铝合金 中可溶性杂质元素含量不能太高。 2.6微弧氧化膜层性能测试 膜层的耐磨性和耐蚀性由广州创佳实业有限公司进行 测试。耐磨性测试采用拉丝的方法,将膜层加热到250℃, 往复做机械运动与发丝发生摩擦。原本技术参数是经过1 万5千拉丝而膜层不脱落露底就为合格,实际测试结果是经 过十万次拉丝后膜层仍然完好。耐蚀性采用浸泡法,将工件 放在pH一3—4的混合酸中浸泡十天,结果膜层没有出现脱 落,膜层下面的工件也没有出现腐蚀,测试结果合格。 3 结论 (1)本工艺开发了以硅酸钠为主的弱碱性电解液,能够 在锻铝6063上得到致密耐磨的陶瓷层,且电解液中各组分 含量低,不含有重金属和有毒成分,符合环保要求。 (2)开发出了微弧氧化防烧蚀添加剂B,解决了膜层易 烧蚀难题,无需专门的冷冻机组,只需要冷却水降温就能保 证工业化生产。 (3)采用的直流通电方式,成膜速度快,且氧化电流密度 低。工艺实施时,电流密度只有0 3A/dm ,比目前研究一 般使用的电流密度下降丁一个数量级,不仅为量产化生产时 大功率电源的制造打下了基础,也为实现大面积试样微弧氧 化打下基础,同时避免了槽液由于大电流通过电阻升温太快 问题,在一定程度上对防止膜层烧蚀起到了较好作用。 (下转109页) http://www.cmasteq.CTI; .heatind. ・84・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国材料科技与设备(双月刊) 自动升降黑板螺旋副机构设计与加工的研究 且与丝杆配合要有一轻微的抱紧力为适。 2008年・第1期 R2mm排屑槽,后角受螺旋升角的影响,左切削刃的后角为5。 加上螺旋升角,右切削刃为5。减去螺旋升角,刀尖宽等于槽底 宽;精车车刀前角2O。,后角同粗车刀并且磨出V形排屑槽。 (2)梯形螺纹的切削方法 粗车时采用左右切削法;精车时先精车顺进刀牙侧面, 3 结束语 经过以上对螺旋副传动机构的设计计算,选择合理的丝 杆加工工艺和新型螺母材料,自动升降黑板通过控制系统的 控制,完全能够满足升降灵活,定位可靠,从而达到全面积都 在最省力高度书写的目的,有效减轻教师的工作负担,提高 再精车逆进刀牙侧面; (3)机床选用 机床选用大丝杆和较精密机床,车前调整好开合螺,大、 课堂教学效果。 中、小拖板各间隙; (4)正确使用跟刀架 参考文献: 使支承爪调整至车刀的正对面,更有效抵消径向力,而 -I1]机械设计手册编委会.机械设计手册I-M].第2卷.北京:机 且要及时调整支承爪的位置,补偿磨损量; 械工业出版社,2004,15—8,9 2.4螺母的加工技术 [2]王平嶂.机械制造工艺与刀具[M].北京:清华大学出版社 螺母采用MC含油铸造尼龙,生产时先完成整体外形结 2005,168—174 构的压铸,且压铸时温度和压力要恒定,压铸的毛坯须经48 [3]苏建修.机械制造基础[M].北京:机械工业出版社,2006, 小时的收缩时效后,才可进行螺纹的车制,确保螺距稳定,并 139—143. Research on Design and Manufacture of Automatic Rise/Drop Blackboard and Spiral Assistant Structure XUZhi—yue (Zhejiang Business Technology Institute,Zhejiang,Ningbo,315012,China) Abstract:This article is to introduce the automatic rise and drop transmission theory of blackboard and the function of spiral assis— tant structure.MC oiled Nylon is chose as the raw material,which will highly improve the wearability of Nut and of life of the Spiral Assistant Structure.We are also emphasizing on the design and manufacture of Haulm and the spiral assistant structure. Keywords:Automatic Rise and Drop;Transmission;Spiral Assistant Structure;Abrasion (上接84页) 参考文献: I-3]蒋永锋,李均明,蒋百灵,等.铝合金微弧氧化陶瓷层形成因 I-1]祝晓文,韩建民,崔世海,等.铝、镁合金微弧氧化技术研究 素的分析I-J].表面技术,2004,30(2):37—39 进展I-J].材料科学与工艺,2006,14(3):366—369 1-43郝建民,介万奇,陈宏,等.SiO。。一对TiAl合金微弧氧化陶 Is]徐勇.国内铝和铝合金微弧氧化技术研究动态LJ].腐蚀与防 瓷层的影响I-J].稀有金属材料与工程,2005,34(9):1455—1558. 护,2003,24(4):154—157 Study on theMAO Technology for Industrialization .on the Aluminium Alloy SHAO Zhi-song ,ZHAO Qing,ZHOU Ya,L U Bing—gen (College of Materials Science and Engineering。Nanchang Hangkong University,jiangxi,Nanchang,330063,China) Abstract:the factors which influence MAO technology for industrialization were studied,the results show that:the Naz Si03 is Dropitious to film growth,but the content of Na2Si03 should be suitable;with the increasing of additive A,the thickness of film reduced 。the sudace aperture become thin,the degreese of lubricity enhanced and the wear—resiting property become better.High current densitv is use for film growth,but generate heat dadly;The additive B can solve the problem completely which the film will be ablatde at high temperature;The pulse current can prevent film ablate a little while reduce the speed of film growth;The character of alumi— num a11ov influence film growth hardly,if the aluminum alloy have many solubility impurties,the time of appearing rac iwll be put off, and the MA0 film will be loose that make the wear—resiting property had. The optimized technology is environmental protection and low energy costing,the life of electrolyte is become longer al— so.This technology is used to manufacture product greatly in the factory now.the wear—resiting property and corrosion re— sisting property of product is good and meet the factory request. Keywords:Aluminum alloy;Micro—arc oxidation;Prevent ablate matter;Industrialization ・109・http://w ̄w.cmasteq.c ;WWW.heatind.c