A356铝硅合金耐磨耐蚀等离子体电解氧化膜的研究

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铸造铝硅合金因为易于铸造和质轻而广泛运用于航空、航天、汽车等领域结构材料。但其表面硬度低、抗腐蚀性能较差而降低了铝硅合金部件的使用寿命。因此,对铸造铝硅合金加以适当的表面处理来改善其表面性能,具有良好的经济和实用意义。等离子电解氧化技术,由阳极氧化发展而来,具有工艺简单、电解液环保等优点,可以用于提高铝合金和其他阀金属的表面性能。铝硅合金中含大量硅元素,对其等离子体电解氧化行为有一定的影响。此外,以往的研究多使用硅酸盐和磷酸盐作为电解液,而很少用铝酸盐作为电解液。本文在铝酸盐体系下对汽车轮毂用A356铝硅合金进行等离子体电解氧化研究。一方面探索不同浓度铝酸钠对铝硅合金表面等离子体膜耐磨、耐蚀性能的影响。另一方面针对铝酸钠易于分解产生沉淀的不足,研究了氢氧化钠对铝酸钠电解液稳定性及对相应的膜层性能的影响。采用不同浓度的铝酸钠电解液(2 gl-1、16 gl-1、24gl-1)和硅酸电解液(用于比较)对汽车轮毂用A356铝硅合金进行等离子体电解氧化,膜层耐磨擦耐腐蚀性能运用碳化钨钢球干摩擦实验和电化学实验进行评估,膜层的表面硬度通过显微硬度测试仪进行表征。结果显示:在24 gl-1的铝酸钠电解液处理480 s形成的膜层具有较好的耐磨和耐蚀性,该膜层在30N力的作用下持续滑动摩擦30 min,磨损率仅为4.5×10-7mm3N-1m-1;同时检测在24 gl-1铝酸钠电解液成膜480 s形成膜层的显微硬度,其平均值达到1352±251HV,相当于15GPa,与y-A1203的硬度值值相差不大,也表明该条件下的膜层耐磨;通过电化学测试得出A356铝合金经PEO覆膜处理后,耐蚀性显著提高,而在24 gl-1铝酸钠形成的膜层击穿电压最高为-0.236 V,腐蚀电流密度为8.81 ×10-9 Acm-2,其耐蚀性最好,与基体的腐蚀电流密度2.19×10-6Acm-2相比,耐腐蚀强度提高了将近3个数量级。研究认为,尽管膜层中α-A1203相含量低,但是膜层致密性能和单层结构保证了耐摩擦耐腐蚀性能。为提高铝酸钠电解液的稳定性,于32 gl-1铝酸钠溶液中分别加入不同浓度的NaOH,考察NaOH浓度对溶液的稳定性的影响以及相应的膜层性能,膜层耐磨擦耐腐蚀性能运用碳化钨钢球干摩擦实验和电化学实验进行评估。结果表明:铝酸钠溶液的稳定性随NaOH浓度的提高而显著提高,当氢氧化钠浓度为5 gl-1时,电解液可保存35-40天,而增加氢氧化钠浓度则保存时间更长。但是铝酸钠溶液中NaOH浓度过高时会导致成膜过程发生显著的场辅助溶解现象,成膜过程需预先在低浓度电解液中处理较长时间。添加5 gl-1NaOH的电解液在稳定性提高的同时,在其中形成的氧化膜也具有良好的性能。反应300s的膜层可以承受20N的载荷,摩擦1800 s后,膜层未磨穿,其磨损率为4.1×10-7mm3N-1 m-1。同时电化学试验表明,该膜层的腐蚀电流密度为8.52 ×10-9 A cm-2,表现出优异的耐腐蚀性能。
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