电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响.pdf

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电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响1 电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响2 电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响3 电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响4 电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响5 电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响6
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电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响83电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响EffectofConstituentsofElectrolyteandOperating—ConditionOilMicroarcOxidationProcessofMgAlloys刘丽来。,杨培霞。,安茂忠。,张云望。(1黑龙江科技学院现代分析测试研究中心,哈尔滨150027;2哈尔滨工业大学化工学院,哈尔滨150001)———LIULi一1ai.一,YANGPeixia,ANMaozhong。,ZHANGYunwang0(1ModernAnalysisandResearchCenter.HeilongjiangInstituteofScienceandTechnology,Harbin150027,China;2SchoolofChemicalEngineeringandTechnology,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)摘要:在含有NaA10的电解液中以恒电流方式对镁合金进行微弧氧化。研究了电解液中NaAl0z、甘油、NaF的浓度以及电流密度和氧化时间对镁合金微弧氧化过程中电压一时间曲线和氧化膜厚度的影响。结果表明:电解液中只含有NaA10时即可产生火花放电现象,但得到的氧化膜较薄;甘油的加入可明显抑制尖端放电现象,NaF的加入可以显著增加氧化膜厚度,随着电流密度的增大,微弧氧化所需起火时间迅速缩短,而击穿电压并无明显变化,氧化膜厚度明显增加。采用扫描电子显微镜观察了镁合金微弧氧化陶瓷膜的微观形貌,在微弧氧化膜的表面存在明显的孔洞和放电通道,这些通道呈熔融状态结合在一起。关键词:镁合金;微弧氧化;铝酸钠;电压一时间曲线中图分类号:TG174.45文献标识码:A——文章编号:10014381(2012)03008306—Abstract:MagnesiumalloysweretreatedwithmicroareoxidationinasolutioncontainingNaA102ataconstantappliedcurrentdensity.TheeffectofconcentrationofNaA102,glycerol,NaFinelectrolyte————andcurrentdensityandoxidationtimeonvoltagetimeresponseofmicroarcoxidationprocessandcoatingthicknesswasalsoinvestigated.TheresultsshowedthatsparkscouldbeseenattheanodesurfacewhentheelectrolyteonlycontainedNaA102,theadditionofglycerolcanobviouslyrestrainpointdischarge,theadditionofNaFincreasedthecoatingthicknessconsiderably.Withtheincreaseof—thecurrentdensity,ignitiontimeofmicroarcoxidationbecomeshorter.Whilethebreakvoltagehad—noobviouschange,andcoatingthicknessincreasedobviously.Thesurfacemorphologyofmicroarc—oxidationcoatingwasobservedbyscanningelectronmicroscopy(SEM).Theresultsshowedthatob—viousporesanddischargedtunnelswhichweremeltingandcombinedtogethercanbeseenonthecoatingsurface.—Keywords:magnesiumalloy;microarcoxidation;NaA102;voltage-timecurve镁合金作为一种轻质工程材料,其开发利用技术还远不如钢铁、铜、铝等成熟。因此,在许多传统金属矿产资源趋于枯竭的今天,加速开发镁合金的应用,对保持社会可持续发展具有重要的战略意义。镁合金具有密度低、比强度和比刚度高、减震性好、导电导热性好、磁屏蔽性能优良等特点l1],已广泛应用于汽车、航空航天、电子、通讯和计算机制造等领域ll2]。但镁具有极高的化学和电化学活性,在潮湿的气氛中极易发生点腐蚀,导致其耐蚀性较差l5]。因此,耐蚀性差成为限制镁合金广泛应用的关键问题。微弧氧化技术是由普通阳极氧化技术衍生而来的一种表面处理方法,它突破传统阳极氧化工作电压的限制,将工作区域引入到高电压放电区,在热化学、等离子体化学、电化学共同作用下,通过微区瞬间高温烧结作用直接在A1,Mg,Ti等阀金属或其合金表面原位生长陶瓷膜。该陶瓷膜具有结构致密、与基体结合牢固、耐磨损、耐腐蚀、耐热冲击、电绝缘性能优良、对环境基本无污染等特点r6]。因此,微弧氧化技术成为目84材料工程/2012年3期前镁合金表面改性领域中的研究热点。影响微弧氧化成膜效果的因素主要有电解液组分及其浓度、电流密度、溶液温度、处理时间及溶液pH值等,其中电解液组分是直接参与成膜的因素,因而对陶瓷膜性能的影响最大_8_。目前,镁合金微弧氧化的电解液体系主要有硅酸盐体系l_g]、磷酸盐体系[Iol、铝酸盐体系L1等。硅酸盐体系成本较低,成膜速度快,膜层外观较好,但氧化膜的力学性能较差;铝酸盐体系得到的氧化膜的硬度较高,但容易产生尖端放电现象,且耐蚀性较差;磷酸盐体系生成的氧化膜较厚,但外观质量较差。目前,文献和专利中绝大多数采用的是硅酸盐体系,而对铝酸盐体系鲜有报道。因此,本工作采用铝酸盐为电解液研究了电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响。1实验材料及方法1.1实验材料及试剂采用的实验材料为AZ31B镁合金,其化学组成见表1。表1AZ31B镁合金化学组成Table1ChemicalcompositionofAZ3IBandAZ91Dmagnesiumalloys实验前将试样加工成长条形,规格为30mm×30mm×3mm。为保证阳极电流的恒定,避免电解液爬升导致液面以上的部分也发生电击穿,在实验中用绝缘胶带进行封闭,仅暴露需要处理的区域。其他所需试剂均为分析纯。1.2实验方法实验装置主要由微等离子体氧化工艺专用电源、电解槽、搅拌系统和循环冷却系统组成。不锈钢电解槽的环形内衬兼做阴极,镁合金试样为阳极,温度控制℃在40以下,镁合金试样经酸洗去除自然氧化膜、水磨砂纸打磨、自来水漂洗后进行微弧氧化,以恒电流的—方式进行微弧氧化操作。采用HIOKI8835MEMORYRECORDER进行电压一时问曲线的记录;采用HCC一25A数字式电涡流测厚仪测量微弧氧化陶瓷膜的厚度,每个试样测量10次,取平均值作为最终结果;利用S57O扫描电子显微镜观察陶瓷膜的微观表面形貌。2实验结果与讨论2.1微弧氧化过程的电压一时间曲线分析图1为恒电流微弧氧化过程的电压一时间关系曲线。实验条件:电流密度为2A/din。、NaAIO浓度为9g/I。从图1中可以看出,镁合金的微弧氧化过程分为三个阶段:AB段为普通阳极氧化阶段,电压呈线性增长,且增长速度较快,在该阶段镁合金的表面形成一层氧化膜,为维持恒定的电流密度,随着膜层电阻的增加,电压持续增加;当电压超过某一临界值时,氧化膜蚕墨U图1微弧氧化过程的电压时间曲线Fig.1Curveofvoltagetimeresponseof—microarcoxidationprocess的某些薄弱部位被击穿,微区发生火花放电现象,微弧氧化进入到火花沉积阶段(BC),对于火花沉积阶段,电子电流密度对总电流密度产生一定贡献,所需的离子电流密度要小于前一阶段,所需的电压也会相应降低,因此,电压一时间曲线的斜率会减小;随时间的延长,火花逐渐增大,在电极上停留的时间也延长,趋于不均匀分布,当电压达到某一临界值时,火花颜色转变为橘黄色,同时会产生低频的爆鸣声,微弧氧化进入微弧或弧光放电阶段(CD),在该阶段电子电流密度占据主导地位,离子电流密度的影响基本可以忽略,所以电压的增长变得相对较平稳。在电压一时间曲线上存在两个转折点,第一个转折点B对应的电压为击穿电压,它是指镁合金微弧氧化时,阳极表面发生电击穿,并伴有火花放电时体系两端的电压,对应产生火花放电的时间称之为起火时间;第二个转折点C对应的电压值称为临界电压。电解液组成及工艺条件对镁合金微弧氧化过程的影响852.2铝酸钠浓度对微弧氧化过程的影响对于硅酸盐体系,当溶液中只含有硅酸盐时,体系无法成膜;而对于铝酸盐体系则不同,当溶液中只含有铝酸钠时,体系就可以成膜。但当铝酸钠含量过高时,容易发生严重的尖端放电现象。因此,选择NaA10。含量为3,6,9,12,14g/L,电流密度为2.0A/dm,测试了NaA10。浓度对电压~时间曲线的影响结果见图2。之0三rJMicro.arcoxidizationtime/s图2铝酸钠浓度对电压一时间曲线的影响—Fig.2EffectofNaA1Ozconcentrationonvoltagetimeresponse由图2可以看出,在微弧氧化的第一阶段由于阳极溶解比较严重,电压上升速度较快,但随着NaA10含量的增加,电压上升速度减慢;第二阶段随着NaA1O含量的增加电压降低,且上升速度也变得缓慢;第三阶段的稳定电压随NaA10含量的上升呈很明显的下降趋势。镁合金在碱性条件(pH>12)下较易发生钝化。虽然铝酸钠的水溶液呈碱性,但A1O是两性粒子,在一定条件下可以和镁合金反应,因此随着铝酸钠含量的增加,镁合金和溶液的反应增强,阳极溶解加剧,同时形成的钝化膜也会和溶液发生反应而溶解,这两个反应的综合作用导致随着NaA10含量的增加初期电压上升缓慢。当反应进行到一定时间以后,氧化膜的形成和溶解达到动态平衡,电压增长速率明显变小,基本停止增长,保持稳定,反应进入第三阶段。随着铝酸钠含量的增加,氧化膜的溶解速率增加,氧化膜的溶解过程和形成过程能够很快地达到动态平衡,即进入第三阶段的时间缩短。在一定的条件下,氧化膜的形成速率是一定的,当铝酸钠的含量达到14g/L时,氧化膜的溶解速率大于其形成速率,达到平衡所需的时间延长。反应体系的等效负载电阻为溶液电阻、金属表面膜层的电阻和基体金属的电阻的总和。随着铝酸钠含量的增加,溶液的导电性增加,溶液电阻R降低,而反应采用的是恒流模式,电流不变,电阻减小,表现为第三阶段稳定电压的下降。响。图3为铝酸钠含量对击穿电压和起火时间的影芒吕殳.∞图3铝酸钠浓度对起火时间和击穿电压的影响Fig,3EffectofNaAlOzconcentrationonignitiontimeandbreakdownvoltage从图3可以看出,随着铝酸钠浓度的增加,起火时间逐渐延长。这是因为增加铝酸钠的浓度,阳极溶解加剧,金属表面钝化膜增厚缓慢,电压上升缓慢,导致起火时间延长。从图4还可以看出,随着铝酸钠浓度的增加,击穿电压下降。这是因为铝酸钠进入氧化膜内部,释放高能电子,导致氧化膜的击穿,铝酸钠的浓度越高,击穿电压越低;另一方面,对于微弧氧化过程,金属击穿的难易主要由金属本性决定,当溶液对金属的击穿能力一定时,击穿电压的变化在一定程度上反映了体系负载电阻的改变。如前所述,反应体系的等效负载电阻为溶液电阻、金属表面膜层的电阻和基体金属的电阻的总和,随着铝酸钠含量的增加,溶液电阻R下降,而体系的电流一定,加在溶液电阻上的电压随之降低,并表现为击穿电压的降低。图4为微弧氧化陶瓷膜厚度随铝酸钠浓度的变化曲线。微弧氧化反应的时间为10min。图4NaA102浓度对氧化膜厚度的影响Fig.4EffectofNaA102concentrationoncoatingthickness从图4可以看出,当电解液中铝酸钠浓度小于∞^/墨【0事op286材料工程/2012年3期12g/L时,氧化膜厚度随铝酸钠浓度的增加而增大,但增大速率逐渐降低。当铝酸钠浓度达到14g/L时,氧化膜的厚度反而下降。电解液中铝酸钠浓度的增加使氧化膜更容易被击穿,反应速率提高,氧化膜厚度增加;但当铝酸钠浓度过高时,铝酸钠对氧化膜的溶解作用大于成膜速度,氧化膜的厚度就有所下降。因此,电解液中铝酸钠的浓度应控制在一定范围内。2.3甘油对微弧氧化过程的影响采用铝酸盐对镁合金进行微弧氧化时,尖端放电现象比较严重,这也是铝酸盐微弧氧化的一个缺点。尖端放电会导致氧化膜厚度不均匀。因此,要提高氧化膜的均匀性,必须抑制体系的尖端放电现象。研究发现,采用在铝酸钠电解液中加入甘油的方式可抑制尖端放电现象,测试了甘油加入量对电压一时问曲线的影响,结果见图5。其他实验条件:NaA10浓度9g/I电流密度2A/din。之三rJ图5甘油含量对电压一时间曲线的影响—Fig.5Effectofglycerolcontentonvoltagetimeresponse之警呈U从图5可以看出,电解液中加入甘油对于微弧氧化过程电压一时间曲线的斜率、起火时间、击穿电压的影响都不是特别明显,但甘油的加入提高了微弧氧化第三阶段的电压。这是因为,甘油的加入使溶液的电导率下降,在电流恒定的情况下,必然导致电压上升。在实验中观察到,甘油含量增加时,使火花更趋于稳定,电压的上升也变得稳定,且不会出现大的波动,有利于减少尖端放电现象。因此,甘油的加入既可以抑制尖端放电,又不会对微弧氧化过程产生明显的影响。2。4氟化钠浓度对微弧氧化过程的影响实验发现,当铝酸盐电解液中加入氟化钠时,可以提高微弧氧化陶瓷膜的厚度。因此,测试了氟化钠浓度对微弧氧化过程的影响,结果见图6。其他实验条件:NaAlO。浓度9g/L、甘油10ml/I电流密度2A/dm2。由图6(a)可以看出,氟化钠含量为3g/I时,可以在一定程度上提高微弧氧化初期的电压上升速度,金属电极表面的火花较均匀、大小一致,虽然大火花出现的时间较快,但均匀一致,电压较稳,基本无波动;当氟化钠浓度为5 ̄8g/L时,初期的电压上升速度反而会下降,当微弧氧化进行到第三阶段时,电压波动较大。镁合金表面火花出现较慢并且集中,在电极表面会剧烈闪烁且火花分布不均,大火花中夹杂小火花,电压会产生大幅度的波动。因此,氟化钠的浓度不宜过高。由图6(b)可以看出,当NaF的浓度适中时,氧化膜厚度随其浓度的上升而增加,当氟化钠浓度为8g/I时,火花尺寸大且集中,甚至会发生严重的尖端放电,导致成膜效率严重下降,氧化膜厚度大幅度降低。由图6可以看出氟化钠的用量不宜过高。ConcentrationofNaF/(g・L。、图6氟化钠浓度对电压一时间曲线及氧化膜厚度的影响2.5电流密度对微弧氧化过程的影响电流密度是镁合金微弧氧化过程中重要的电参数,因此研究了电流密度对镁合金微弧氧化过程的影响,实验结果见图7。其他实验条件:NaA10z浓度9g/L、甘油浓度10mL/L、NaF浓度3g/I。由图7(a)可以看出,随着电流密度的增大,微弧氧化电压增长速率呈上升趋势,所需起火时间迅速缩短,也就是说电流密度越高越有利于微弧氧化的发生。0OOOOOOOOO如如加88材料工程/2012年3期还存在一些裂纹,这是由于氧化物被电解液冷却时产生的热应力所致。3结论(1)电解液中只含有NaA1O时即可产生火花放电现象,但得到的氧化膜较薄;甘油的加入可明显抑制尖端放电现象;NaF的加入可以显著增加氧化膜厚度。(2)随着电流密度的增大,微弧氧化所需起火时间迅速缩短,而击穿电压并无明显变化,氧化膜厚度明显增加;陶瓷膜的厚度与氧化时间呈线性关系。(3)镁合金微弧氧化陶瓷膜的表面有许多大小不一的微孔,呈网状结合在一起。[1][2][3][4]参考文献GRAYJ,IUANB.Protectivecoatingsonmagnesiumanditsal~——loysacriticalreview[J].JAlloyCompd,2002,336(12):88113.SCHUMANNS,FRIEDRICHH.Currentandfutureuseofmagnesiumintheautomobileindustry[J].MaterSciForum,—2003,419(4):5156.FURUYAH,MATUNAGAS,KOJIZON.Requirementsand—feasibilityofmagnesiumalloysforaerospaceapplications[J].MaterSejForum,2003,419(4):26l一263.ELIEZERD,AGH10NE,FROESFH.Magnesiumscience。technologyandapp1ications[J].AdvPerformMater,1998,20l一—2O5(5):201212.[5]E63 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