項(xiàng)目研究報(bào)告

1、江蘇科技大學(xué)（張家港）本科生創(chuàng)新計(jì)劃納米顆粒對(duì)鎂合金微弧氧化膜層表征的影響研究報(bào)告主 持：劉啟明指導(dǎo)老師：王淑艷2014年1月2日目 錄一緒論二鎂合金微弧氧化實(shí)驗(yàn)材料及膜層制備三鎂合金微弧氧化膜層形貌分析四鎂合金微弧氧化膜層耐蝕性的測(cè)定分析五鎂合金微弧氧化膜層耐磨性的測(cè)定分析六成果一覽一緒論作為最輕質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料，鎂合金具有密度小、熱導(dǎo)率高、鑄造性好、尺寸穩(wěn)定性好、減震能力強(qiáng)、機(jī)加性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，因此越來(lái)越受到人們的青睞；但其硬度低、對(duì)應(yīng)力集中較敏感、耐磨和耐蝕性差仍是影響鎂合金大范圍使用的重要因素，因此必須通過(guò)相應(yīng)的處理來(lái)提高其相關(guān)性能。微弧氧化是目前鎂合金表面處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，它依

2、靠弧光放電產(chǎn)生的瞬間高溫高壓作用，在合金表面生長(zhǎng)出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層，從而提高鎂合金的耐蝕耐磨等性能。而微弧氧化陶瓷膜層的性能受很多因素的影響，包括電解液的組成、電參數(shù)的設(shè)置等。其中對(duì)電解液的研究集中在基礎(chǔ)電解液的配置和添加劑的選擇上，通過(guò)向電解液中加入不同的添加劑可提升膜層的相關(guān)性能。由于一些納米粒子本身具有耐磨、耐蝕、耐高溫的特性，將其作為添加劑加入電解液中，這些彌散質(zhì)點(diǎn)會(huì)對(duì)膜層的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響，故本文在硅鋁復(fù)合電解液中加入納米SiC，研究納米SiC對(duì)鎂合金微弧氧化陶瓷膜膜層的微觀形貌、物相組成、耐磨耐蝕性的影響。2 鎂合金微弧氧化實(shí)驗(yàn)材料及膜層制備1.試驗(yàn)材料本實(shí)驗(yàn)所用材

3、料為壓鑄AM50鎂合金，其化學(xué)成分見(jiàn)表2.1所示。表2.1 AM50鎂合金的成分（Wt.%）AlMnZnSiCuNiFeMg4.40-5.500.26-0.600.220.010.010.0020.004余量用線切割將壓鑄鎂合金切割成15mm×15mm×5mm的塊狀試樣，并依次用600號(hào)、1000號(hào)、1500號(hào)水砂紙打磨，超聲波清洗。實(shí)驗(yàn)所用電解液化學(xué)藥品見(jiàn)表2.2所示表2.2 電解液組分藥品化學(xué)式密度（體積分?jǐn)?shù)）質(zhì)量（體積）NaSiO315g/L75gC6H5Na3O77g/L35gNaAlO29g/L45gC3H8O35ml/L25LNa2B4O72g/L10gNaOH

4、3g/L15g并向電解液中添加不同含量的納米SiC顆粒，含量分別為0、2、4、6、8g/L。2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備WHD-20型微弧氧化裝置，超聲波清洗器，oxford公司生產(chǎn)的CMI233渦流測(cè)厚儀，JSM-6510LA掃描電鏡，日本島津公司生產(chǎn)的XRD-6000型X射線衍射儀，chi660d電化學(xué)工作站，UMT-2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備。3. 鎂合金微弧氧化膜層制備（1）試樣前處理先利用試樣切割機(jī)將鎂合金錠切割成大小一致的規(guī)則長(zhǎng)方體，然后利用600#、800#、1200#型號(hào)的SiC砂紙分別將試樣表面逐級(jí)打磨致劃痕方向一致，接著將試樣放入50的無(wú)水乙醇中利用超聲波清洗器清洗10min左右，最后利用

5、去離子水沖洗，吹風(fēng)機(jī)冷風(fēng)吹干試樣備用。（2）電解液的配置根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體步驟，將稱量好的化學(xué)試劑依次加入到裝有一定量去離子水的燒杯中，同時(shí)用玻璃棒不斷攪拌使其充分溶解。在添加藥品的過(guò)程中，注意對(duì)于彼此互相反應(yīng)的藥品需要待一種藥品充分溶解后再加入另一種藥品。當(dāng)電解質(zhì)完全溶解后，添加去離子水至所需濃度（溶液所需體積5L，成分見(jiàn)表2.2）。（3）微弧氧化處理AM50鎂合金試樣表面通過(guò)打螺紋孔與銅絲相連，懸浮于電解液中，試樣底部不能與電解槽接觸，夾具與銅絲連接點(diǎn)保持緊密接觸，夾具其余部分需進(jìn)行絕緣處理。將夾具和電解槽分別連接電源的兩極，進(jìn)行微弧氧化。輸入預(yù)定的控制參數(shù)，采用恒流控制方式，設(shè)置正向電流密度

6、為15A/dm2，負(fù)向電流密度為18A/dm2，頻率為520Hz，正占空比為38%，負(fù)占空比為30%，氧化時(shí)間為15min，接通電源，進(jìn)行5組試樣膜層的制備。分別觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄反應(yīng)過(guò)程中電壓隨時(shí)間的變化。微弧氧化處理過(guò)程中通過(guò)循環(huán)水冷卻電解液，使其溫度保持在40左右。待試樣反應(yīng)到所需時(shí)間，關(guān)閉電源，取出試樣。（4）試樣后處理將經(jīng)過(guò)微弧氧化處理后的試樣用去離子水清洗，接著冷風(fēng)吹干，待編號(hào)結(jié)束后裝入試樣袋，以便觀察檢測(cè)用。三對(duì)鎂合金膜層形貌及組成分析1.鎂合金膜層厚度分析采用oxford公司生產(chǎn)的CMI233渦流測(cè)厚儀測(cè)量膜層的厚度。為了得到較準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在每個(gè)試樣上下兩表面各取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)

7、行測(cè)量，取平均值作為每個(gè)試樣膜層的最終厚度。圖3.1微弧氧化膜層厚度圖3.1給出了膜層的厚度值與溶液中碳化硅的添加量之間的關(guān)系圖，從圖中可以看出隨著溶液中碳化硅含量的增加，膜層的厚度值逐漸增加，但總體來(lái)說(shuō)膜層厚度值相差不大，其中最厚膜層與最薄膜層之間的厚度值只相差幾微米。這是由于添加的SiC顆粒是納米級(jí)的，其覆蓋到膜層表面后，也沒(méi)有很明顯的提高微弧氧化膜層的厚度值。2.鎂合金膜層微觀形貌檢測(cè)利用JSM-6510LA掃描電鏡觀察不同SiC含量下制得的膜層的表面和截面形貌。圖3.2和圖3.3分別為膜層表面和膜層截面微觀形貌。(a)(b)(c)(d)(e)圖3.2微弧氧化膜層表面微觀形貌(a)SiC

8、 0g/L;(b) SiC 2g/L;(c) SiC 4g/L;(d) SiC 6g/L; (e)SiC 8g/L圖3.2給出了不同SiC濃度下的制得膜層表面微觀形貌。從圖3.2(a)可看到膜層表面分布許多放電孔洞，孔洞周圍堆積著類似火山噴射狀的熔融物，隨著溶液中SiC的添加，膜層表面的微孔數(shù)逐漸減小，但粗糙度增加（如圖(d) (e)）。這是因?yàn)樵谖⒒》烹娺^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓，這部分高溫高壓會(huì)使鎂合金基體與溶液發(fā)生反應(yīng)生成熔融物，這些熔融物沿著放電通道開(kāi)始不斷向外噴出，在到達(dá)鎂合金表面之后會(huì)將電泳沉積在鎂合金表面的納米SiC包裹在其中，由于電解液的冷卻作用，這些熔融物就會(huì)在鎂合金表面凝固

9、，形成火山噴射狀微孔。當(dāng)在溶液中添加的SiC的含量增多時(shí)，其形成的帶負(fù)電膠體粒子不斷地向陽(yáng)極移動(dòng)，一些納米SiC顆粒來(lái)不及被包裹進(jìn)入膜層中，而是沉積在放電微孔中，使得微孔的直徑減小，孔洞數(shù)減小。同時(shí)也由于大量SiC不均勻沉積在表面使得膜層的粗糙度增加。從孔洞數(shù)和粗糙度方面來(lái)看，納米SiC添加量為4g/L時(shí)制得膜層表面孔洞數(shù)最少，表面也較為平整，粗糙度最小。(a)(b)(e)(c)(d)圖3.3微弧氧化膜層截面微觀形貌(a)SiC 0g/L;(b) SiC 2g/L;(c) SiC 4g/L;(d) SiC 6g/L; (e)SiC 8g/L圖3.3給出了不同SiC濃度下的制得膜層截面微觀形貌。

10、從圖3.3(a)可看出未添加納米SiC制得膜層截面存在較多微孔和裂紋，當(dāng)加入納米SiC后，膜層中的孔洞和裂紋數(shù)明顯減少，這是因?yàn)榧{米SiC沉積在放電微孔中，使得微孔數(shù)減少。從圖中可看出納米SiC添加量為4g/L時(shí)制得膜層截面形貌較好。3.鎂合金膜層物相檢測(cè)采用日本島津公司生產(chǎn)的XRD-600型X射線衍射儀對(duì)膜層進(jìn)行物相分析。測(cè)試參數(shù)為：XRD衍射儀選用Cu靶Ka射線，掃描角度為20°80°，掃描速度為4°/min。圖3.4添加納米SiC后微弧氧化膜的X射線衍射圖譜圖3.4給出了添加納米SiC顆粒4g/L后微弧氧化膜的X射線衍射圖譜。由圖可知微弧氧化膜主要由MgO、

11、MgAl2O4、Mg2SiO4和SiC等相組成。由于膜層中的SiC含量較少，且Mg、MgO相的衍射強(qiáng)度較高，致使SiC相的衍射峰不明顯，圖3.4的插圖中給出了小角度慢速率（0.2度每分鐘）的衍射圖譜，從插圖中可看出在36度和60度附近有衍射峰，通過(guò)匹配其為SiC相的衍射峰，由此可知，SiC相存在于膜層中。這是由于彌散分布在溶液中的SiC在電泳的作用下作為第二相粒子參與了沉積過(guò)程，且部分碳化硅顆粒被微弧放電產(chǎn)生的熔融物包覆進(jìn)入微弧氧化膜層中，成為膜層的組成部分。4 對(duì)鎂合金膜層耐蝕性的測(cè)定分析膜層耐蝕性通過(guò)chi660d電化學(xué)工作站測(cè)定。試驗(yàn)用的參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，以不同試

12、樣依次作為工作電極。試驗(yàn)介質(zhì)為3.5%NaCl溶液。試驗(yàn)溫度為室溫。鹽橋?yàn)榻橘|(zhì)/飽和KCl溶液。在進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試之前，需要配置飽和的氯化鉀溶液添加在參比電極中，以確保測(cè)量的精確性。微弧氧化膜層耐蝕性檢測(cè)結(jié)果如圖4.1所示。圖4.1膜層極化曲線圖表4.1極化曲線擬合值SiC添加量（g/L）腐蝕電位（V）腐蝕電流密度（A/cm2）0-1.5411.305×10-62-1.5031.467×10-64-1.4403.102×10-76-1.5201.323×10-68-1.5106.242×10-5圖4.1為添加不同濃度的納米SiC顆粒后獲得的微弧氧

13、化膜層在室溫3.5%的NaCl水溶液中測(cè)得的動(dòng)電位極化曲線，表4.1給出了相應(yīng)的擬合結(jié)果。腐蝕電位越高，腐蝕電流密度越小，膜層的耐蝕性能越好。從表中可以看出隨著納米SiC顆粒的添加膜層的腐蝕電位正移，電流密度減小。當(dāng)SiC的添加量為4g/L腐蝕電位最大為-1.440V，腐蝕電流密度最小為3.102×10-7 A/cm2，進(jìn)一步增大SiC的添加量，腐蝕電位降低，電流密度增大，故納米SiC顆粒的添加量為4g/L時(shí)，膜層的耐蝕性能最好。五對(duì)鎂合金膜層耐磨性的測(cè)定分析用UMT-2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同條件下制得的試樣進(jìn)行摩擦磨損研究，對(duì)磨副為9的GCr15鋼球，具體試驗(yàn)條件：溫度為25，載荷

14、為3N，摩擦速度為25rev/min，磨損直徑為4mm，磨損時(shí)間為15min。用精度為0.1mg的FA1004N電子天平稱量試樣磨損前后的質(zhì)量，用OLS4000共聚焦激光顯微鏡和JSM-6480掃描電鏡觀察磨損后的試樣形貌。1.3N載荷下的磨損表面形貌(a)(b)(c)(d)(e)1 (f)圖5.1 3N載荷下的磨損表面形貌:(a)基體;(b)SiC 0g/L;(c) SiC 2g/L;(d) SiC 4g/L;(e) SiC 6g/L;(f) 8g/L圖5.1是3N載荷下試樣經(jīng)過(guò)摩擦磨損后的表面形貌。從圖中還可看出加入納米SiC后制得膜層表面的磨損面積明顯小于未添加納米SiC制得的膜層表面的

15、磨損面積，這說(shuō)明納米SiC的添加能夠改善微弧氧化膜層的摩擦磨損性能。2.3N載荷下的磨損性能圖5.2 3N載荷下各試樣的摩擦系數(shù)和磨損率圖5.2給出了3N載荷下各試樣的摩擦系數(shù)和磨損率。從圖中可看出各微弧氧化試樣的摩擦系數(shù)均低于鎂合金基體的摩擦系數(shù)，且隨著電解液中納米SiC含量的增加，微弧氧化試樣的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)納米SiC含量為6g/L時(shí)制備出膜層摩擦系數(shù)最小。這是由于鎂合金較軟，變形抗力低，在周期性的載荷下較易發(fā)生磨損。而微弧氧化后膜層的顯微硬度升高，在相同的載荷下，其變形抗力較鎂合金大，故其摩擦系數(shù)降低，耐磨性增強(qiáng)；在電解液中加入納米SiC顆粒后，SiC顆粒在電泳的作用

16、下到達(dá)鎂合金表面，在微弧放電成膜的過(guò)程中，納米顆粒作為第二相參與沉積，最終成為微弧氧化膜層的組成部分。由于SiC顆粒具有高強(qiáng)度高硬度，提高了微弧氧化膜層的硬度值，且隨著溶液中納米SiC含量的增大，進(jìn)入膜層中的SiC顆粒增多，微弧氧化膜層的硬度升高，故膜層的摩擦系數(shù)逐漸減小。當(dāng)納米SiC含量超過(guò)6g/L時(shí)制備出膜層的摩擦系數(shù)增大，這是由于沉積到微弧氧化膜層上的SiC含量增多使得SiC在膜層上分布的不均勻性增大，導(dǎo)致微弧氧化膜層的粗糙度變大、膜層表面凸起增多，在磨損過(guò)程中這些凸起更易與摩擦副之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的粘著與剪切作用，使得膜層表面嚴(yán)重破壞（如圖5.1中箭頭1所示），故當(dāng)溶液中納米SiC的含量由6g/L 增加到8g/L時(shí)，制備出的膜層摩擦系數(shù)增大，耐磨性減弱。故納米SiC顆粒的添加量為6g/L時(shí)，膜層的耐磨性能最好。6 成果一覽1. 掌握了鎂合金及其表面防護(hù)的知識(shí)。2. 在鎂合