CN111926364A - 一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法 - Google Patents

一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，涉及微弧氧化技术领域，包括以下步骤：S1、配置电解液，将电解液放入电解液槽，在电解液中加入固态功能颗粒，固态功能颗粒中包括W颗粒与Pb颗粒；S2、在电解液槽内通过管道连接有高压泵，高压泵连接电解液喷头；S3、将待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，将电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接；S4、调整电解液喷头并使其始终正对待微弧氧化部位，进行微弧氧化处理，最终在铝合金表面形成微弧氧化金属陶瓷层，微弧氧化金属陶瓷层含有PbW04表面层。本发明具有防止浪费能源、提高机械性能和疲劳强度以及能够形成带有自润滑性能的复合结构层的优点。

Description

一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法
技术领域
本发明涉及微弧氧化技术领域，具体涉及一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法。
背景技术
铝合金表面形成陶瓷层需采用微弧氧化处理，微弧氧化处理又称为微等离子体表面陶瓷化技术，是一种高电压等离子体辅助的阳极氧化新工艺，是在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，是型材表面的金属与电解质溶液相互作用，从而在铝、镁、钛等阀金属及其合金材料表面微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，原位形成稳定的强化陶瓷膜层。与普通阳极氧化技术相比，微弧氧化处理技术工艺简单、易于控制，处理效率高，该技术制成的表面氧化膜结构致密，与基体结合好，具有优良的综合力学性能。在铝合金表面上进行微弧氧化技术虽具有上述众多优点，但微弧氧化的技术劣势也大大限制了它的进一步应用：①由于微弧氧化过程弧光放电需要较大的电流和电压，导致单位面积微弧氧化能量消耗大，实现大尺寸工件表面整体微弧氧化处理时耗费巨大能量；②由于微弧氧化后的金属表面将残余有拉应力，残余拉应力会引起氧化部位微观几何不连续，容易形成疲劳裂纹源和造成应力腐蚀，导致铝合金表面的疲劳可靠性和疲劳寿命降低，抗应力腐蚀能力差，降低疲劳强度和结构承载能力；③微弧氧化只在原有基体材料基础上生成单一成分氧化物陶瓷层，功能单一。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，在进行微弧氧化的同时，通过喷射出带有W颗粒和Pb颗粒的固态功能颗粒，一方面在基材表面形成压应力，有效提高最终形成的复合结构层的机械性能和疲劳强度，另一方面让微弧氧化陶瓷层中加入各类固态功能颗粒，让基材表面形成复杂的含有PbWO4表面层的复合结构层，从而带有自润滑功能，整个方法成为对普通材料工件表面的耐腐蚀耐磨性能和再制造技术的一大提升，极大地扩大了微弧氧化技术的应用范围。
一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，包括以下步骤：S1、配置电解液，将电解液放入电解液槽，在电解液中加入固态功能颗粒，固态功能颗粒中包括W颗粒与Pb颗粒；S2、在电解液槽内通过管道连接有高压泵，高压泵连接电解液喷头，高压泵能够让含有固态功能颗粒的电解液从电解液喷头处排出；S3、将待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，将电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接；S4、调整电解液喷头并使其始终正对待微弧氧化部位，调整高压泵参数脉冲电源参数，并接通电源，进行微弧氧化处理，最终在铝合金表面形成微弧氧化金属陶瓷层，微弧氧化金属陶瓷层含有PbWO5表面层。整个微弧氧化过程如下：微弧氧化不能在碳钢表面直接成膜，因此需要先在碳钢表面制备一层铝基膜(铝或铝合金膜)，然后再在铝基膜表面利用微弧氧化制备强化陶瓷膜，先通过喷头喷出电解液，固态功能颗粒直接击打铝合金表面，再通过待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，并且电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接，保证电解液能够实现局部微弧氧化，当正向电流通过时，铝合金与水电解产生的氧发生反应，在工件表面形成一薄层非晶态的氧化铝，由于形成的氧化铝不导电，工件表面电阻将增大，需要继续提高电压来击穿已形成的氧化铝膜，才能维持相应的电流密度，促使反应继续进行，随着工件表面氧化铝层的不断增厚，表面电阻不断增大，电压也需要相应不断提高，才能继续击穿氧化铝膜而维持反应。当正向电压达到一定值，在击穿氧化铝膜的瞬间产生火花放电现象，随着电压的持续上升，电火花遍布整个工件表面，火花放电处温度会瞬间达到数千度，工件表层的铝或铝合金与前期形成的非晶态氧化铝薄层在高温下迅速熔化，同时与水电解产生的氧发生剧烈反应共同形成熔融态的氧化铝，在溶液的激冷下熔融态的氧化铝又迅速凝固在工件表面，并且Pb颗粒与W颗粒迅速与水发生氧化反应，在工件表面形成PbWO4表面层，堵塞放电通道，使放电中断，火花熄灭，随着电火花的熄灭，通过冷却凝固形成晶态的氧化铝陶瓷层覆盖整个工件表面，再由PbWO4表面层包裹陶瓷层，形成带有自润滑功能的复合结构层。
优选地，电解液为KOH、H3BO3和Na2SiO3作为混合电解质溶解于蒸馏水中制成，分别按200g～250g/L的比例加入W颗粒与Pb颗粒，电解液中KOH的浓度为5.5～6g/L、H3BO3的浓度为13～14g/L、Na2SiO3的浓度为3.5～4g/L。采用KOH、H3BO3和Na2SiO3混合电解质溶于蒸馏水而制成微碱性的电解液，优选的电解液中KOH的浓度为5.8g/L、H3BO3的浓度为13.5g/L、Na2SiO3的浓度为3.8g/L，分别按200g/L和250g/L的比例加入W颗粒与Pb颗粒。
优选地，所述固态功能颗粒为陶瓷颗粒、金属颗粒或者二者的结合。固态功能颗粒可以根据需求进行人为选择，最后形成的复合结构层具备预设的固态功能颗粒，从而能够满足与其对应的功能。
优选地，所述脉冲电源的电压在850～900V、控制电解电流密度在36～40A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在35～45℃。最优选的脉冲电源的电压在850V、控制电解电流密度在38A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在40℃；同时整个高压泵形成的水压大于等于35MPa。
优选地，所述微弧氧化金属陶瓷层厚度在90～100μm之间。由于存在PbWO5表面层和固态功能颗粒，因此微弧氧化形成的金属陶瓷层的厚度在90μm以上。
优选地，所述电解液喷头连接有自动控制装置，自动控制装置上设有调节参数，调节参数包括移动式阴极喷头的初始位置、行进方向以及行进方向上的每次行进距离。通过自动控制装置，可以让喷头能够智能移动，保证局部微弧氧化能够进行移动，从而提高微弧氧化加工在大尺寸工件上进行的实用性和可靠性。
优选地，在完成微弧氧化加工后，将铝合金表面进行清洗，并在清洗后进行干燥处理。对局部微弧氧化后的整个大尺寸工件进行清洗，彻底清洗掉镀层表面残留电解液和残留固态功能颗粒，然后进行烘干或者风干处理。
优选地，清洗步骤为：先将陶瓷层部位浸没在清洗剂中3-15min，再用温度在55～65℃的水清洗。通过清洁剂来充分对残留电解液进行清除，再用温水进行清洗，充分清除残留电解液和残留固态功能颗粒。
优选地，铝合金表面清洗后，将其放置在80°～105℃环境下烘干。不宜在温度较高的环境下进行烘干，最适宜温度为85℃。
优选地，将清洗干燥后的铝合金表面根据预设要求进行打磨抛光处理。在铝合金工件清洗干燥后，按照使用需求或者加工需求，需要对铝合金工件表面的微弧氧化部位进行耐腐蚀和耐磨处理。
本发明提供一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，能够实现针对性的局部微弧氧化，避免浪费能量，利用高压泵将含有Pb颗粒和W颗粒的固态功能颗粒伴随电解液喷射而出，一方面来说，能够让固态功能颗粒能够直接击打待微弧氧化部位的表层，有效实现在局部的金属表面进行微弧氧化过程中伴随进行塑性强化处理，从而提高正压力，在形成复合层中通过塑性强化产生的压应力抵消部分微弧氧化产生的拉应力，甚至能够抵消全部拉应力，让复合处理后形成的复合层下的工件表面仍会留有压应力，有效提高了机械性能和疲劳强度，另一方面来说，在微弧氧化形成过程中，固态功能颗粒能够参与微弧氧化并形成一种新的强化后的并且含有PbWO4表面层的微弧氧化陶瓷层，从而形成一种带有自润滑功能的复合结构层，整个方法成为对普通材料工件表面的耐腐蚀耐磨性能和再制造技术的一大提升，极大地扩大了微弧氧化技术的应用范围。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处中描述和出示的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面表示类似项，因此，一旦某一项被定义，随后不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，包括以下步骤：
S1、配置电解液，将电解液放入电解液槽，在电解液中加入固态功能颗粒，固态功能颗粒中包括W颗粒与Pb颗粒；
S2、在电解液槽内通过管道连接有高压泵，高压泵连接电解液喷头，高压泵能够让含有固态功能颗粒的电解液从电解液喷头处排出；
S3、将待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，将电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接；
S4、调整电解液喷头并使其始终正对待微弧氧化部位，调整高压泵参数脉冲电源参数，并接通电源，进行微弧氧化处理，最终在铝合金表面形成微弧氧化金属陶瓷层，微弧氧化金属陶瓷层含有PbWO4表面层。
在本实施方式中，需要说明的是，整个微弧氧化过程中，能够实现针对性的局部微弧氧化，避免浪费能量，利用高压泵将含有Pb颗粒和W颗粒的固态功能颗粒伴随电解液喷射而出，一方面来说，能够让固态功能颗粒能够直接击打待微弧氧化部位的表层，有效实现在局部的金属表面进行微弧氧化过程中伴随进行塑性强化处理，从而提高正压力，在形成复合层中通过塑性强化产生的压应力抵消部分微弧氧化产生的拉应力，甚至能够抵消全部拉应力，让复合处理后形成的复合层下的工件表面仍会留有压应力，有效提高了机械性能和疲劳强度，另一方面来说，在微弧氧化形成过程中，固态功能颗粒能够参与微弧氧化并形成一种新的强化后的并且含有PbWO4表面层的微弧氧化陶瓷层，从而形成一种带有自润滑功能的复合结构层，整个方法成为对普通材料工件表面的耐腐蚀耐磨性能和再制造技术的一大提升，极大地扩大了微弧氧化技术的应用范围。
整个微弧氧化过程如下：微弧氧化不能在碳钢表面直接成膜，因此需要先在碳钢表面制备一层铝基膜(铝或铝合金膜)，然后再在铝基膜表面利用微弧氧化制备强化陶瓷膜，先通过喷头喷出电解液，固态功能颗粒直接击打铝合金表面，再通过待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，并且电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接，保证电解液能够实现局部微弧氧化，当正向电流通过时，铝合金与水电解产生的氧发生反应，在工件表面形成一薄层非晶态的氧化铝，由于形成的氧化铝不导电，工件表面电阻将增大，需要继续提高电压来击穿已形成的氧化铝膜，才能维持相应的电流密度，促使反应继续进行，随着工件表面氧化铝层的不断增厚，表面电阻不断增大，电压也需要相应不断提高，才能继续击穿氧化铝膜而维持反应。当正向电压达到一定值，在击穿氧化铝膜的瞬间产生火花放电现象，随着电压的持续上升，电火花遍布整个工件表面，火花放电处温度会瞬间达到数千度，工件表层的铝或铝合金与前期形成的非晶态氧化铝薄层在高温下迅速熔化，同时与水电解产生的氧发生剧烈反应共同形成熔融态的氧化铝，在溶液的激冷下熔融态的氧化铝又迅速凝固在工件表面，并且Pb颗粒与W颗粒迅速与水发生氧化反应，在工件表面形成PbWO5表面层，堵塞放电通道，使放电中断，火花熄灭，随着电火花的熄灭，通过冷却凝固形成晶态的氧化铝陶瓷层覆盖整个工件表面，再由PbWO5表面层包裹陶瓷层，形成带有自润滑功能的复合结构层。
具体地，所述电解液为KOH、H3BO3和Na2SiO3作为混合电解质溶解于蒸馏水中制成，分别按200g～250g/L的比例加入W颗粒与Pb颗粒，电解液中KOH的浓度为5.5～6g/L、H3BO3的浓度为13～14g/L、Na2SiO3的浓度为3.5～4g/L。
在本实施方式中，需要说明的是，采用KOH、H3BO3和Na2SiO3混合电解质溶于蒸馏水而制成微碱性的电解液，优选的电解液中KOH的浓度为5.8g/L、H3BO3的浓度为13.5g/L、Na2SiO3的浓度为3.8g/L，分别按200g/L和250g/L的比例加入W颗粒与Pb颗粒。
具体地，所述固态功能颗粒为陶瓷颗粒、金属颗粒或者二者的结合。
在本实施方式中，需要说明的是，固态功能颗粒可以根据需求进行人为选择加入，最后形成的复合结构层具备预设的固态功能颗粒，从而能够满足与其对应的功能。
具体地，所述脉冲电源的电压在850～900V、控制电解电流密度在36～40A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在35～45℃。
在本实施方式中，需要说明的是，最优选的脉冲电源的电压在850V、控制电解电流密度在38A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在40℃；同时整个高压泵形成的水压大于等于35MPa
具体地，所述微弧氧化金属陶瓷层厚度在90～100μm之间。
在本实施方式中，需要说明的是，由于存在固态功能颗粒，因此微弧氧化形成的金属陶瓷层的厚度在90μm以上。
具体地，所述电解液喷头连接有自动控制装置，自动控制装置上设有调节参数，调节参数包括移动式阴极喷头的初始位置、行进方向以及行进方向上的每次行进距离。
在本实施方式中，需要说明的是，通过自动控制装置，可以让喷头能够智能移动，保证局部微弧氧化能够进行移动，从而提高微弧氧化加工在大尺寸工件上进行的实用性和可靠性。
具体地，在完成微弧氧化加工后，将铝合金表面进行清洗，并在清洗后进行干燥处理。
在本实施方式中，需要说明的是，对局部微弧氧化后的整个大尺寸工件进行清洗，彻底清洗掉镀层表面残留电解液和残留固态功能颗粒，然后进行烘干或者风干处理。
具体地，清洗步骤为：先将陶瓷层部位浸没在清洗剂中3-15min，再用温度在55～65℃的水清洗。
在本实施方式中，需要说明的是，通过清洁剂来充分对残留电解液进行清除，再用温水进行清洗，充分清除残留电解液和残留固态功能颗粒。
具体地，铝合金表面清洗后，将其放置在80°～105℃环境下烘干。
在本实施方式中，需要说明的是，不宜在温度较高的环境下进行烘干，最适宜温度为85℃。
具体地，将清洗干燥后的铝合金表面根据预设要求进行打磨抛光处理。
在本实施方式中，需要说明的是，在铝合金工件清洗干燥后，按照使用需求或者加工需求，需要对铝合金工件表面的微弧氧化部位进行耐腐蚀和耐磨处理。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、配置电解液，将电解液放入电解液槽，在电解液中加入固态功能颗粒，固态功能颗粒中包括W颗粒与Pb颗粒；
S2、在电解液槽内通过管道连接有高压泵，高压泵连接电解液喷头，高压泵能够让含有固态功能颗粒的电解液从电解液喷头处排出；
S3、将待微弧氧化部位与脉冲电源的输出阳极电性连接，将电解液喷头与脉冲电源的输出阴极电性连接；
S4、调整电解液喷头并使其始终正对待微弧氧化部位，调整高压泵参数脉冲电源参数，并接通电源，进行微弧氧化处理，最终在铝合金表面形成微弧氧化金属陶瓷层，微弧氧化金属陶瓷层含有PbWO4表面层。
2.根据权利要求1所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，所述电解液为KOH、H3BO3和Na2SiO3作为混合电解质溶解于蒸馏水中制成，分别按200g～250g/L的比例加入W颗粒与Pb颗粒，电解液中KOH的浓度为5.5～6g/L、H3BO3的浓度为13～14g/L、Na2SiO3的浓度为3.5～4g/L。
3.根据权利要求2所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，所述固态功能颗粒还包括陶瓷颗粒、金属颗粒或者二者的结合。
4.根据权利要求1所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，所述脉冲电源的电压在850～900V、控制电解电流密度在36～40A/dm2，并在反应过程中将电解液温度控制在35～45℃。
5.根据权利要求1所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，所述微弧氧化金属陶瓷层厚度在90～100μm之间。
6.根据权利要求1所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，所述电解液喷头连接有自动控制装置，自动控制装置上设有调节参数，调节参数包括移动式阴极喷头的初始位置、行进方向以及行进方向上的每次行进距离。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，在完成微弧氧化加工后，将铝合金表面进行清洗，并在清洗后进行干燥处理。
8.根据权利要求7所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，清洗步骤为：先将陶瓷层部位浸没在清洗剂中3-15min，再用温度在55～65℃的水清洗。
9.根据权利要求8所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，铝合金表面清洗后，将其放置在80°～105℃环境下烘干。
10.根据权利要求7所述的铝合金表面自润滑复合陶瓷层的制备方法，其特征在于，将清洗干燥后的铝合金表面根据预设要求进行打磨抛光处理。
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