微弧氧化對AZ91D鎂合金高溫耐磨性影響

金　杰，李　歡，厲　淦

(1.浙江工業(yè)大學 材料表面研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

微弧氧化對AZ91D鎂合金高溫耐磨性影響

金杰1，李歡1，厲淦2

(1.浙江工業(yè)大學 材料表面研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工業(yè)大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：采用微弧氧化技術在AZ91D鎂合金表面制備一層陶瓷涂層.運用XRD，SEM和EDS分別對涂層相成分、涂層表面、截面、元素成分進行觀察分析.采用UMT-3高溫摩擦磨損試驗機研究AZ91D鎂合金和微弧氧化涂層在200 ℃條件下的磨損性能，并結合SEM和EDS對磨痕形貌和磨屑成分進行分析.結果表明：鎂合金在200 ℃條件下磨損和氧化嚴重，其磨痕寬度約為700 μm.經過微弧氧化處理的試樣磨痕寬度僅為400 μm，磨損較鎂合金得到明顯改善.對磨痕形貌及磨屑成分觀察分析，鎂合金在200 ℃條件下磨損機制主要為氧化磨損和犁削磨損，而微弧氧化涂層則主要為磨粒磨損.

關鍵詞：AZ91D；微弧氧化；高溫；磨損性能

Influence of micro arc-oxidation wear resistance of AZ91D

magnesium alloy under high temperature

JIN Jie1, LI Huan1, LI Gan2

(1. Institute of Material Surface, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；

2. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Using the micro-arc oxidation technology, a ceramic coating was fabricated on AZ91D magnesium alloy surface. The phase compositions, the surface and cross-sectional morphologies and the element compositions of the coating were studied by XRD, SEM and EDS, respectively. The wear behaviors at 200 ℃ of AZ91D magnesium alloy and the coating were evaluated by UMT-3 high temperature tribometer. The morphologies of the wear tracks and the compositions of the wear debris were examined by SEM and EDS. Results showed that magnesium alloy at 200 ℃ suffered from a serious wear and oxidation. Its wear track width was about 700 μm. After micro-arc oxidation treatment, the sample’s wear track width was only 400 μm and its abrasion was obviously improved compared with magnesium alloy. By observation and analysis on the morphologies of the wear tracks and the compositions of the wear debris, the wear mechanisms of magnesium alloy at 200 ℃ are mainly oxidation wear and plough-cut wear, while the micro-arc oxidation coating is mainly abrasive wear.

Keywords:AZ91D; micro-arc oxidation; high temperature; wear behaviors

鎂合金被視為21世紀最具開發(fā)和利用的材料，具有密度低、比強度高，能量衰減系數(shù)大等特點，在汽車、電子等制造領域被人們廣泛關注.但是鎂合金也具有化學活性強、抗蠕變性能弱以及較差的耐腐蝕和抗磨損性能[1-3]，這些不足很大程度上制約了鎂合金在工業(yè)領域中的廣泛應用.近年來微弧氧化(MAO)技術廣泛應用于鎂合金表面改性上，該技術可以在鎂合金表面制備一層硬質涂層，從而提高鎂合金的耐磨損性能[4].目前，研究者對鎂合金微弧氧化涂層摩擦磨損性能研究并不多[5-10]，對其在高溫條件下摩擦磨損性能研究甚少.因此，筆者重點對比研究微弧氧化涂層與鎂合金在高溫條件下的摩擦磨損性能，并分析其磨損機理，希望能將微弧氧化技術應用于提高鎂合金抗高溫磨損領域.

1實驗

1.1樣品制備

實驗材料為AZ91D鎂合金，尺寸為35 mm×60 mm×2 mm.為了使試樣能與微弧氧化電源正極相連，需對試樣進行鉆孔.試樣之后用150#~800# CW水砂紙打磨，再用丙酮超聲波清洗15 min，最后用去離子水沖洗干凈并用吹風機吹干.微弧氧化采用哈爾濱工業(yè)大學研制的DSM35F微弧氧化裝置，實驗時鎂合金作陽極，不銹鋼槽作陰極.電解液由10 g/L硅酸鈉、10 g/L磷酸鈉、8 g/L氫氧化鈉及少量添加劑組成，采用恒流模式，電流密度20 A/dm2，頻率800 Hz，占空比20%，處理時間20 min，電解液溫度維持在20 ℃左右.

1.2表征

采用UMT-3往復式高溫摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，對磨材料選用直徑9.5 mm的Si3N4球.試驗溫度為200 ℃，載荷為4 N.為保證試樣各處溫度均衡，摩擦實驗開始前先在200 ℃條件下保溫5 min.單次滑動距離20 mm，時間20 min，頻率2 Hz.采用XRD分析涂層的相組成，XRD采用Cu靶射線，掃掠角度10°~80°.采用Hitachis-4700型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層表面、截面及磨痕形貌.利用能譜儀(EDS)對涂層表面元素和磨屑元素的質量分數(shù)進行測定.

2結果與討論

2.1涂層成分

圖1為鎂合金和微弧氧化涂層的XRD圖譜，從圖1中可以得出涂層主要由MgO和Mg2SiO4相組成.由于涂層厚度較薄因此出現(xiàn)基體Mg相.MgO相和Mg2SiO4相的形成是由于微弧氧化過程會產生很高的熱量，使得鎂合金表面發(fā)生熔融，熔融的鎂與電解液中的氧和硅酸根在放電通道中反應生成相應的MgO相和Mg2SiO4相[11].MgO相和Mg2SiO4相的生成可以明顯的提高鎂合金的表面硬度.從表1可知：鎂合金表面元素主要為Mg和O，且Mg元素的質量分數(shù)遠遠高于O元素.而涂層中Mg與O元素質量分數(shù)比例接近1∶1，結合XRD圖譜可推斷出涂層中MgO相最多.涂層中Na, Si及P元素則主要來自微弧氧化電解液中.

圖1　鎂合金和MAO涂層XRD圖譜Fig.1　XRD patterns of magnesium alloy and MAO coating

Table 1Elements composition of magnesium alloy and MAO coating

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2.2涂層形貌

鎂合金微弧氧化涂層的表面及截面形貌如圖2所示.從圖2(a)中可以看出：微弧氧化表面粗糙，為多孔狀結構.這是由于微弧氧化初期，鎂合金表面形成一層鈍化薄膜，隨著電極兩端電壓的升高，鈍化膜薄弱區(qū)域被擊穿形成電弧并伴隨產生很高的熱量，使得鎂合金表面發(fā)生熔融并且熔融金屬與電解液中元素在放電通道中發(fā)生反應.反應生成的熔融物在內部熱壓力作用下噴射到涂層表面并與較冷的電解液接觸而迅速凝固，由于熔融物來不及填充放電通道，因此涂層表面形成多孔狀結構.孔洞之間存在一些顯微裂紋，這可能是孔洞等缺陷內的氣泡在高壓電場的作用下引起氣體電離，此過程產生大量的熱及較高的內應力，使材料喪失機械強度而出現(xiàn)裂紋[12].從圖2(b)中看出：微弧氧化涂層厚度約為15 μm.涂層與基體之間結合緊密，結合處無明顯缺陷.涂層可以分為兩層結構，靠近表面的為疏松層，其厚度大約為12 μm，疏松層孔洞缺陷比較多，結構疏松；靠近膜基結合處為致密層，其厚度較薄，僅為2 μm左右，致密層缺陷較少，結構也比較致密.

圖2　MAO涂層表面和截面形貌Fig.2　The surface and cross-sectional morphology of MAO coating

2.3摩擦磨損性能

圖3所示為鎂合金和微弧氧化涂層在200 ℃干摩擦條件下的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線.鎂合金試樣在0~200 s磨損時摩擦系數(shù)隨時間增加而升高，200 s之后摩擦系數(shù)基本維持在0.5左右變化，變化幅度較大.對于微弧氧化處理的試樣，試樣在與Si3N4球接觸初期摩擦系數(shù)急劇升高，隨后急速降低，出現(xiàn)峰值.之后摩擦系數(shù)隨著時間緩慢升高，300 s之后摩擦系數(shù)基本維持在0.3左右，其變化幅度較小.

圖3　摩擦系數(shù)隨時間變化曲線Fig.3　Relation curves between friction coefficient and time

Table 2Mean friction coefficient of magnesium alloy and MAO coating

試樣名稱平均摩擦系數(shù)鎂合金試樣MAO涂層0.520.31

由表2可知：鎂合金在200 ℃條件下的平均摩擦系數(shù)約為0.52，微弧氧化涂層的平均摩擦系數(shù)約為0.31，即鎂合金經微弧氧化處理后，其平均摩擦系數(shù)減少，有利于改善鎂合金在高溫條件下的摩擦學性能.

對磨痕形貌觀察可知(圖4)：鎂合金試樣磨痕寬度約為700 μm，磨痕表面呈現(xiàn)典型的犁溝狀形貌.這是由于溫度升高使得鎂合金基體的抗變形能力下降，硬質磨球壓入到較軟的基體中然后在滑動時犁削帶走部分基體材料而發(fā)生磨損，溫度高時磨球壓入基體容易，溝痕也較深，犁削嚴重.經過微弧氧化處理的試樣磨痕寬度僅為400 μm，較鎂合金試驗磨痕寬度有了明顯的減小，其磨痕表面相對平整，并未出現(xiàn)犁溝狀形貌，在磨損20 min后涂層尚未磨穿.這是由于涂層硬度高，能有效抵抗磨球的壓入，因此磨痕寬度較小.對比圖4(a，b)，微弧氧化可以明顯提高鎂合金在高溫條件下的耐磨損性能.

圖4　鎂合金和MAO涂層磨痕形貌Fig.4　Wear track morphology of magnesium alloy and MAO coating

從圖5(a)可知：鎂合金磨痕為典型犁削磨損，犁溝邊緣存在大量磨屑.圖5(b)微弧氧化涂層磨痕表面致密平整，磨痕表面存在許多細小磨屑.由于溫度升高鎂合金基體塑性和粘性增強，因此犁溝處出現(xiàn)部分材料塑性流動和粘附現(xiàn)象.磨屑粘附和犁溝形貌存在使得磨痕表面粗糙，摩擦系數(shù)變化較大.微弧氧化涂層疏松層為多孔狀結構，缺陷多，強度小，表面硬質微凸體受到載荷作用會發(fā)生脆性斷裂而形成磨屑，磨屑在硬質磨球的往復運動中逐漸被研磨成細小的磨屑，并填充微弧氧化孔洞，使得磨痕表面結構致密平整，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定.

分別對鎂合金基體和微弧氧化涂層表面磨屑成份進行分析可知(表3)：1處磨屑的主要元素成分為鎂和氧，與表1中基體表面該元素質量分數(shù)相比，氧元素質量分數(shù)明顯增加，這主要是由于高溫及摩擦過程中產生的高溫使得鎂合金表面氧化，因此其磨損機理主要為犁削磨損和氧化磨損；而2處磨屑的主要元素為氧和鎂，與磨損前微弧氧化涂層中鎂和氧元素的質量分數(shù)相差不大，因此硬質磨屑主要為涂層脆性斷裂和研磨形成，其磨損機理主要為磨粒磨損.

圖5　鎂合金和MAO涂層磨痕微觀形貌Fig.5　Wear track micro-morphology of magnesium alloy and MAO coating

Table 3Wear debris element compositions of magnesium alloy and MAO coating

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3結論

在硅酸鹽和磷酸鹽復合電解液體系下，通過微弧氧化在AZ91D鎂合金表面制備一層主要成分為MgO和Mg2SiO4的硬質涂層.涂層表面為粗糙多孔狀結構，與基體結合緊密.涂層明顯分為兩層結構，即外部疏松層和內部致密層.微弧氧化技術可以明顯的提高鎂合金在高溫條件下的耐磨損性能.在200 ℃條件下鎂合金主要發(fā)生氧化磨損和犁削磨損，而微弧氧化涂層則主要發(fā)生磨粒磨損.

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(責任編輯：劉巖)

中圖分類號：TG178

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)03-0257-04

作者簡介：金杰(1964—)，男，浙江上虞人，教授，研究方向為鎂合金表面硬質涂層制備，E-mail：bluejinjie@126.com.

收稿日期：2014-12-29