微弧氧化技術在ZL109鑄造鋁合金活塞頭表面優化處理中的應用研究

關長輝

【關鍵詞】ZL109;微弧氧化;復合電解液;優化

【中圖分類號】TG174.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）07-0072-03

1 鑄造鋁合金活塞頭表面強化概述

1.1 鑄造鋁合金活塞頭表面性能優化的必要性

ZL109鑄造鋁合金被廣泛用于制造內燃機活塞，主要原因是它具有較小的密度、良好的導熱性能和較小的熱膨脹系數。但是，ZL109鑄造鋁合金表面硬度較低，耐磨性差，極易產生燒蝕、磨損、龜裂等失效形式。所以，采用何種工藝增強活塞表面性能一直備受關注，傳統的處理方法有電鍍、噴涂、陽極氧化等。

1.2 傳統工藝局限性

1.2.1 電鍍污染嚴重

通過大量研究發現，電鍍工藝雖然具有性能穩定、鍍層與基體結合度高、抗腐蝕能力強、耐磨損性能強等優點，但是電鍍過程中會產生大量有毒廢水，廢水中的重金屬、氰等有害物質會對環境造成重大污染[1]。

1.2.2 噴涂層結合強度低，容易產生形變

噴涂工藝適用材料范圍廣，技術簡單、操作簡便。但是，因為噴涂層與基體之間并非冶金結合，而是機械結合，所以噴涂層與基體間結合強度低。熱噴涂結合圖層結合強度高，但是高溫下容易產生熱應力，使基體產生形變[2]。

1.2.3 陽極氧化，自我修復速度慢

鋁和鋁合金等材料在自然環境中被氧化形成的氧化膜對基體具有保護作用，并且氧化膜具有一定的自修復能力。但是，膜層結構疏松，強度較差，自我修復速度慢，一旦氧化膜自我修復速度小于消耗速度，基體就會裸露出來被快速腐蝕、磨損[3-4]。

1.3 微弧氧化工藝優勢

相較于常用表面強化技術，微弧氧化產生的陶瓷層具有膜層結構致密、強度好、硬度高、與基體結合緊固、導熱性能好、對環境污染小等優勢。

2 微弧氧化技術概述

2.1 微弧氧化機理

鋁、鎂等金屬及其合金，陽極氧化過程中能形成電阻較高的氧化膜，具有阻礙電流傳遞的特性，擁有此種特性的類金屬被稱為“閥金屬”。微弧氧化（Microarc Oxidation，MAO）又稱等離子體電解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO），是“閥金屬”及其合金浸入電解液中，通以高壓直流電，高壓電將氧化膜中最薄弱的區域擊穿，形成等離子放電，產生瞬時高溫、高壓，高溫、高壓下基體熔化從等離子放電通道噴出，遇到溫度較低等電解液，發生激冷現象，凝固的基體氧化物堆積在放電通道附近，反復作用即形成陶瓷層[5-6]，陶瓷層與基體之間能夠形成冶金結合，結合強度較高。對陶瓷層性能進行測試發現其硬度、耐磨性能、抗沖擊性能、耐腐蝕性能、絕緣性能較好[7]。

2.2 微弧氧化研究與應用現狀

與電解有關的放電現象早在一個多世紀前就被發現了，直到20世紀70年代，Markov等科學家在實驗中發現能在鋁表面沉積陶瓷層，陶瓷層性能優秀，具有實際應用價值，微弧氧化技術才逐漸受到人們的關注。微弧氧化技術已經成為材料優化領域大家關注的熱點之一，此項技術在20世紀90年代初被中國的專家學者關注，但由于種種原因，直到20世紀90年代中期才開始投入研究，所以此項技術在中國起步較晚，但是發展勢頭迅猛，最近幾年越來越多的材料科學工作者將精力投入對微弧氧化技術方面的研究與探索，做了很多有見屬性的基礎研究分析。對鋁合金材料的微弧氧化工藝研究主要有以下幾個方面：微弧氧化工藝的原理分析、微弧氧化陶瓷層的生長過程、微弧氧化過程中的電參數對其過程的影響、微弧氧化時間對膜層性能的影響、基體的材料對其結構組織的影響、電解液特性對實驗結果的影響，這也是本論文重點研究方向，所謂的影響主要有陶瓷層的粗糙度、厚度、硬度、微觀結構、應用性能等方面[8]。隨著微弧氧化技術的發展，人們對其研究也逐漸深入，研究領域也越來越廣泛，主要研究內容包括以下幾個方面：①工藝機理分析;②電參數陶瓷層性能的影響;③時間因素對陶瓷層性能的影響;④基體的材料對陶瓷層性能的影響;⑤電解液特性對陶瓷層性能的影響;⑥微弧氧化能耗研究[9-10]。

近年來，通過改變電解液成分優化微弧氧化陶瓷層性能成為研究熱點，研究發現通過調整單一電解液當中的電解質濃度可以有效改變陶瓷層性能。此外，如果將微弧氧化技術用于批量化生產，其能耗水平也是研究重點[11-12]。

3 研究背景

內燃機活塞長期在燃燒室中工作，環境條件惡劣，長期經受高溫、高壓、燃氣沖刷、高溫腐蝕等侵襲，極易產生腐蝕、燒蝕、磨損、龜裂等問題，通過微弧氧化制備的陶瓷層能對活塞頭頂面形成良好的保護。微弧氧化是一個復雜的過程，影響陶瓷層性能的因素較多，電參數因素、成膜時間因素、電解液成分因素都會對其產生影響。本次研究主要從改變電解液成分方面進行試驗分析、優化解決方案。

4 研究內容

研究內容主要包含兩個方面。

4.1 電解液成分對微弧氧化陶瓷層性能影響

選取內燃機活塞常用基材ZL109鑄造鋁合金，對其進行單一電解液體系微弧氧化實驗，根據實驗結果選擇陶瓷層性能相對較好的電解液做復合實驗。試驗后從膜層厚度、表面粗糙度、硬度、膜層形貌等方面對陶瓷層性能進行評價，根據評價結果選出最佳復合電解液的種類和配比。

4.2 微弧氧化能耗分析

實驗過程中，通過儀器導出電流-時間曲線，計算不同電解液配比下的反應能耗，選出陶瓷層性能優秀、能耗相對較低的一組配方。

5 實驗程序與數據分析

5.1 單一電解液體系微弧氧化實驗

制備單一體系電解液，主成膜劑分別為硅酸鈉、鋁酸鈉、六偏磷酸鈉、磷酸鈉;在單一電解液系統中做ZL109鑄造鋁合金微弧氧化，分別對其陶瓷層進行實驗評價;評價指標主要包括陶瓷層厚度、粗糙度、硬度;找出兩組最佳單一電解液配方（主成膜劑種類、濃度）。反應過程將電參數調節到恒定狀態：電壓恒定，正410 V，負110 V，510 Hz，占空比為19%，脈沖數為1，反應時間為1 h，電解液保持恒溫32 ℃左右。添加劑：EDTA 2.1 g/L、鎢酸鈉4.9 g/L、氫氧化鉀2.4 g/L。反應后對試件進行后處理，然后在每個面隨機選取兩點測量其膜層厚度、膜層粗糙度、膜層厚度，最后對測量結果進行計算，求得其平均值（見表1）。

通過對測量結果進行分析發現：在單一電解液體系下，以硅酸鈉和鋁酸鈉作為主成膜劑制備的陶瓷層的膜層厚度、粗糙度、硬度指標較好。對于硅酸鈉電解液，當硅酸鈉的濃度在8.5～9.5 g/L時得到的微弧氧化陶瓷膜層效果較好。對于鋁酸鈉電解液，當鋁酸鈉的濃度在15.5 g/L時，微弧氧化陶瓷膜層效果最好。

5.2 復合電解液體系微弧氧化實驗

將單一電解液體系試驗中兩組性能優秀的電解液配方進行配比，制備復合電解液。再將ZL109鑄造鋁合金放入復合電解液中進行微弧氧化，對實驗結果進行評價;評價指標與單一電解液體系下陶瓷層性能評價指標一致;找出復合電解液體系下的最佳配方（主成膜劑種類、濃度）。反應過程將電參數調節到恒定狀態：電壓恒定，正410 V，負110 V，510 Hz，占空比為19%，脈沖數為1，反應時間為20 min，電解液保持恒溫32 ℃左右。添加劑：EDTA 2.1 g/L、鎢酸鈉4.9 g/L、氫氧化鉀2.4 g/L。反應后對試件進行后處理，然后在每個面隨機選取兩點測量其膜層厚度、膜層粗糙度、膜層厚度，最后對測量結果進行計算。

5.3 能耗分析

實驗初期電流較大，這主要是因為此時的ZL109本體還沒有形成氧化膜，整個電路阻抗較小，基體與電解液間導電性良好。但是，隨著反應的進行，試件表面逐漸形成高阻抗氧化層，伴隨著反應過程中的放熱，與試件接觸的電解液在高溫下被汽化，形成氣泡，這部分氣泡阻抗也較高，所以伴隨著反應的進行，電流逐漸變小。當反應進入尾聲階段，隨著陶瓷層厚度的增加，阻抗趨于穩定，電流也變得平穩。

5.4 實驗結果分析

當鋁酸鈉為16.5 g/L、硅酸鈉為9.5 g/L時，復合電解液對微弧氧化陶瓷層的影響效果最優，取試樣做硬度測量，測得硬度梯度為923.8、1 194.3、1 721.7，平均值為1 279.93。做電鏡掃面得到表面形貌如圖1所示。

由圖1可以看出，膜層表面火山口結構形狀扁平，孔隙率比較小，使得表面粗糙度較小。做電鏡掃面得到截面形貌如圖2所示。

6 結論

在以硅酸鈉和鋁酸鈉作為主成膜劑的復合電解液中進行微弧氧化實驗所得到的陶瓷層性能更加優秀。

透過實驗數據分析發現，硅酸鈉與鋁酸鈉的復合電解液對于微弧氧化陶瓷膜層的優化性能非常明顯。宏觀上，既繼承了鋁酸鈉電解液的優點產生較厚膜層，又繼承了硅酸鈉電解液的優點，得到了相鄰面厚度與粗糙度相近的微弧氧化陶瓷膜層，使得膜層厚度與粗糙度均勻穩定且復合電解液中產生的膜層硬度較單一電解質電解液中產生的膜層硬度有明顯的提高。微觀上，復合電解液中形成的膜層表面火山口結構構成扁平，孔隙率較小，使得膜層表面粗糙度較小，膜層截面分層明顯，膜層截面微觀形貌致密均勻，使得膜層硬度較高。

參 考 文 獻

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