李曉,胡海峰
(山東交通學(xué)院,山東 威海 264200)
鋁合金因其有良好的可塑性能,且比重小、導(dǎo)熱性好,被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子零部件及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。船用中小型柴油機(jī)及車用發(fā)動(dòng)機(jī)活塞就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例,柴油機(jī)工作中,活塞在氣缸內(nèi)承受高溫、高壓燃?xì)獾臎_刷,潤(rùn)滑油膜不易建立或者被破壞,潤(rùn)滑狀況極差,且活塞在氣缸內(nèi)作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),因其速度不穩(wěn)定,使其承受較大的往復(fù)慣性力和附加載荷。在這種惡劣的工況下,不可避免的造成活塞表面腐蝕和異常磨損,其運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性和使用壽命直接決定柴油機(jī)乃至船舶的可靠性。通過表面強(qiáng)化處理工藝對(duì)鋁合金進(jìn)行熱處理以提高鋁合金表面摩擦學(xué)性能和抗腐蝕性,成了柴油機(jī)制造和再制造的一個(gè)重要方向。
實(shí)驗(yàn)材料為ZL109 板材, 實(shí)驗(yàn)前將板材加工成40mm×10mm×10mm 的長(zhǎng)方體試樣。先后使用粗糙度等級(jí)不同的砂紙(150 目、250 目、300 目、600 目)打磨到一定的光潔度。 依次使用石油醚、無水乙醇、去離子水超聲清洗以去除試樣表面的油脂。蛇紋石廣泛存在大自然,成本低廉。試驗(yàn)中使用蛇紋石礦石粉體通過球磨儀球磨后得到蛇紋石粉末。用粒度儀測(cè)量蛇紋石粒度分布如圖1 所示,蛇紋石粉末顆粒粒徑在160 ~225nm 之間,已達(dá)到納米水平。
圖1 納米蛇紋石粒度分布
碳化硅是一種典型的多晶型由共價(jià)鍵連接的化合物,碳化硅具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、受熱后變形小、耐磨性好、硬度高等優(yōu)點(diǎn),但其在自然狀態(tài)下很難天然形成,所以我們使用的碳化硅都是人工制備的。本試驗(yàn)選用國(guó)藥生產(chǎn)的碳化硅,屬于α-SiC,純度97%以上,通過球磨儀球磨后得到碳化硅粉末,用粒度儀測(cè)量Sic 粒度分布,結(jié)果如圖2 所示。碳化硅粉末顆粒粒徑在263 ~397nm 之間,已達(dá)到納米級(jí)。
圖2 納米碳化硅粒度分布
由于納米粒子在電解液中存在沉降和團(tuán)聚效應(yīng),因此,電解液中不能直接加入納米粒子。實(shí)驗(yàn)中使用聚乙二醇200作為潤(rùn)濕分散劑,為了保證納米粒子溶解更充分,電解液中加入十二烷基硫酸鈉并充分?jǐn)嚢琛?shí)驗(yàn)過程中,選定的電解液參數(shù)及電源參數(shù)如表1、2 所示。
表1 電解液組分 g/L
表2 電源參數(shù)
本文選定蛇紋石、Sic 添加濃度均為2g/L,蛇紋石和Sic 復(fù)配比為1:1 濃度也為2g/L 分別加入到電解液中,制備出三種納米陶瓷膜層。使用 TT260 型渦流測(cè)厚儀和 LWHV1000 型顯微硬度儀測(cè)試陶瓷膜層厚度和顯微硬度,為了測(cè)量準(zhǔn)確,每個(gè)樣品取5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,載荷為100N,載荷作用時(shí)間為10s。通過往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)機(jī)能改變加載力及供油量,更好地模擬柴油機(jī)實(shí)際工作狀況。實(shí)驗(yàn)過程中溫度設(shè)定在10 ~400℃,載荷0 ~200MPa,轉(zhuǎn)速12 ~1500r/min,利用LabVIEW 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集并舍棄掉無用數(shù)據(jù)。使用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察鍍層的表面形貌進(jìn)行分析陶瓷膜層摩擦學(xué)性能,并對(duì)其機(jī)理進(jìn)行探究。
通過渦流測(cè)厚儀和顯微硬度儀測(cè)試添加納米蛇紋石、Sic 粉體及蛇紋石/Sic 復(fù)合粉體的鋁合金微弧氧化膜層,得出數(shù)據(jù)如表3 所示。
表3 膜層性能對(duì)比
由表3 可以看出3 種添加劑陶瓷膜中,Sic 添加劑膜厚及硬度最大,蛇紋石添加劑陶瓷膜厚及硬度最小,Sic 粉體及蛇紋石/Sic 復(fù)合粉體陶瓷膜居中。碳化硅俗稱金鋼砂,其硬度和機(jī)械強(qiáng)度都很高,而蛇紋石是層狀含水鎂硅酸鹽礦物,硬度小。 因此,蛇紋石/Sic 復(fù)合粉體通過微弧氧化作用后陶瓷膜的膜厚和硬度介于兩者之間。
要衡量微弧氧化鋁合金表面性能,就需要了解其摩擦性能的好壞,摩擦系數(shù)是摩擦學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。本文采用摩擦磨損試驗(yàn)得到復(fù)合陶瓷層表面摩擦系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系。 摩擦磨損試驗(yàn)在油潤(rùn)滑條件下進(jìn)行,LabVIEW 數(shù)據(jù)采集卡收集的數(shù)據(jù)通過平均1h 內(nèi)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)算3組樣品的摩擦系數(shù)曲線,如圖3 所示。
圖3 試樣摩擦系數(shù)曲線圖
如圖3 所示,1 組曲線為Sic 微弧氧化陶瓷層摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)圖,2 組曲線為蛇紋石微弧氧化陶瓷層摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)圖,3 組曲線為蛇紋石/ Sic 復(fù)合陶瓷層摩擦系數(shù)趨勢(shì)圖。由圖看出,實(shí)驗(yàn)初始階段蛇紋石陶瓷膜摩擦系數(shù)最小,其它兩種陶瓷膜摩擦系數(shù)相當(dāng),摩擦實(shí)驗(yàn)初期曲線比較陡直即摩擦系數(shù)下降突出,隨后摩擦系數(shù)不再發(fā)生變化趨于穩(wěn)定。最終可以發(fā)現(xiàn),納米蛇紋石單質(zhì)微弧氧化陶瓷層穩(wěn)定摩擦系數(shù)小于Sic 單質(zhì)微弧氧化陶瓷層,蛇紋石蛇紋石/Sic 復(fù)合陶瓷層穩(wěn)定摩擦系數(shù)最小。
在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后使用掃描電鏡對(duì)試件表面形貌進(jìn)行觀測(cè),如圖4 所示,試件摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前微弧氧化陶瓷膜表面形貌圖。(a)為蛇紋石添加劑微弧氧化陶瓷膜,(b)為Sic 添加劑微弧氧化陶瓷膜,(c)蛇紋石/Sic 復(fù)合添加劑微弧氧化陶瓷膜。
圖4 微弧氧化陶瓷層摩擦試驗(yàn)前的表面形貌
由圖4 可以看出,納米添加劑微弧氧化陶瓷膜表面粗糙,呈蜂窩狀孔洞,孔徑大小不一。這種現(xiàn)象可以通過微弧氧化過程來解釋,微弧氧化時(shí)電解液中存在微弧放電現(xiàn)象,氧化物被擊穿,高溫下表面出現(xiàn)局部熔融形成孔洞,斷電后冷卻固化時(shí)間短,因此,在膜層表面呈現(xiàn)出大小不一形貌各異的凸峰和微孔。對(duì)比圖(a)(b)(c)可見,3 種加粉后的試樣表面形貌有相同之處,但是差異也很明顯。蛇紋石陶瓷層即圖(a)表面存在大量微孔及放電通道,且微孔孔徑較大,Sic 陶瓷層即圖(b)膜層表面存在泡狀凸起和孔洞,對(duì)于加蛇紋石/ Sic 復(fù)合納米粉后的陶瓷膜即圖(c)磨層表面孔隙和泡狀凸起明顯減少,粗糙度有所降低。
圖5 微弧氧化陶瓷層摩擦試驗(yàn)后的表面形貌
對(duì)比圖5(a)、(b)、(c)可以看出,在摩擦后,蛇紋石/ Sic 復(fù)合添加劑試樣表面形貌最為光滑,孔洞數(shù)量最少,孔徑最小,蛇紋石添加劑試樣表面較 Sic 添加劑表面稍為光滑,這正是因?yàn)樯呒y石質(zhì)地較軟,在磨合過程中蛇紋石磨削可以填充表面孔隙,同時(shí),又由于硬度高的Sic 的存在,二者聯(lián)合作用對(duì)微弧氧化膜層表面起到自修復(fù)和強(qiáng)化功能。最終得出結(jié)論,蛇紋石/Sic 復(fù)合納米顆粒添加劑微弧氧化陶瓷膜層具有優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。
(1)蛇紋石/Sic 復(fù)合納米顆粒添加劑的加入對(duì)微弧氧化陶瓷層膜厚、硬度影響不大,膜厚、硬度位于兩種單質(zhì)添加劑微弧氧化陶瓷層之間。
(2)蛇紋石/Sic 復(fù)合納米顆粒添加劑微弧氧化陶瓷層在摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)定摩擦系數(shù)比一般單質(zhì)納米添加劑陶瓷膜層低。
(3)蛇紋石/Sic 復(fù)合陶瓷層摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后陶瓷膜表面形貌更為光滑致密,粗糙度更小,說明在摩擦磨損過程中,蛇紋石和Sic 的聯(lián)合作用對(duì)磨損后的表面進(jìn)行了修復(fù)和強(qiáng)化,摩擦性能得以改善。