電解液中添加La(NO3)3·6H2O及Na5P3O10對ZAlSi12表面微弧氧化層特性的影響

國春艷

（包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

微弧氧化技術(shù)是近年來發(fā)展起來的表面改性技術(shù)，可在鋁鎂鈦等金屬表面原位生成具有一定厚度和硬度的陶瓷層，由于鋁合金微弧氧化陶瓷層主要由α-Al2O3和γ-Al2O3等晶態(tài)相和部分非晶相組成，所以具有十分良好的耐磨性和防腐蝕性能，且工藝操作簡單、效率高、無污染、處理工件能力強(qiáng)，因此，微弧氧化技術(shù)逐漸成為鋁及鋁合金材料進(jìn)行表面處理較為理想的技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1，4]。本文開展對ZLSi12合金的微弧氧化研究，電解液的組成對鋁合金微弧氧化陶瓷膜生長及特性有很大的影響，因此，本文研究了在Na2SiO3-NaOH基礎(chǔ)電解液體系下，向電解液中添加La(NO3)3·6H2O及Na5P3O10添加劑，探究添加劑對微弧氧化過程及氧化膜特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為40mm×20mm×5mm的ZLSi12試件，實(shí)驗(yàn)所采用的基礎(chǔ)電解液為8.0g/LNa2SiO3+2.0g/LNaOH+2.0g/LEDTA，加入的La(NO3)3的濃度分別為0.00g/L，0.20g/L，在加入0.20g/L的La(NO3)3基礎(chǔ)上添加0.5g/L的Na5P3O10，試樣分別基座1#、2#、3#，試驗(yàn)采用WHD-30型的多功能微弧氧化設(shè)備對試樣進(jìn)行微弧氧化處理，試樣作為陽極浸在電解液中，不銹鋼電解槽作為陰極，實(shí)驗(yàn)采用恒壓法，正負(fù)向工作電壓分別為420V和120V，處理時(shí)間為20min，采用HCC-25型電渦流測厚儀測試膜層厚度，用QUANTA-400型掃描電鏡對氧化層的表面進(jìn)行觀察，用APD-10型全自動(dòng)粉末衍射儀進(jìn)行氧化層的相組成分析（Cu靶，電流35mA，電壓40kv，步進(jìn)掃描0.02°）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氧化膜厚度

分別測試試樣1#、2#、3#微弧氧化后所得的氧化膜的厚度，其厚度值分別為103μm、146μm、173μm，可知電解液中加入添加劑后，氧化膜厚度得到提高，厚度的變化反映了氧化過程中成膜速率的變化，分析認(rèn)為電解液中加入La(NO3)3·6H2O后，提高了電解液中各原子、分子、離子、等離子體的電離速率，促進(jìn)氧化過程的進(jìn)行，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以觀察到La(NO3)3·6H2O的加入，所需的起弧電壓降低，所需的起弧時(shí)間逐漸縮短，且從氧化現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，試樣表面的白色火花密度增大，微區(qū)弧光放電時(shí)間延長。這會(huì)有利于電解液中離子導(dǎo)入多孔的氧化膜層中參與微弧氧化過程，在電解槽中，通過復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，改變了氧化陶瓷膜表面的離子密度和種類，這種變化有利于微弧放電過程的發(fā)生。

2.2 陶瓷層微觀組織形貌

各試樣微弧氧化后的微觀組織形貌分別見圖1（a～c），從圖a中可以看出1#試樣微弧氧化后表面粗糙不平，形成的陶瓷顆粒尺寸較大，約為十幾微米，顆粒上殘留許多放電小孔，認(rèn)為放電時(shí)火花持續(xù)時(shí)間較短，且在試樣表面不停的游動(dòng)，在試樣同一位置連續(xù)放電時(shí)，會(huì)在先生成的氧化物顆粒表面殘留下類似火山口的小孔。從圖1（b）中可以看出電解液中加入La(NO3)3·6H2O后，氧化膜較致密，結(jié)構(gòu)連續(xù)，孔洞和裂紋很少，分析認(rèn)為電解液中加入La(NO3)3·6H2O后有利于電解液中離子進(jìn)入多孔的氧化膜層中參與氧化過程，提高了氧化陶瓷膜表面的離子密度，從而使等離子體微弧氧化反應(yīng)程度劇烈并能降低陶瓷膜中的孔洞密度。圖1（c）為3#試樣微弧氧化后的膜層微觀組織形貌，從圖中可以看出在La(NO3)3·6H2O和Na5P3O10的共同作用下，所獲得的氧化膜致密，孔洞直徑減小、顆粒細(xì)小，陶瓷膜更加平滑致密，粗糙度下降。

2.3 陶瓷層相組成

圖2所示為不同條件下形成的試樣表面微弧氧化層的XRD譜。

從圖中可以看出膜層主要組成相為α-Al2O3、γ-Al2O3、莫來石等，莫來石是Al2O3-SiO2二元系中常壓下唯一穩(wěn)定存在的二元化合物，化學(xué)式Al2O3-2SiO2，具有膨脹均勻、高溫蠕變值小、硬度大、抗化學(xué)腐蝕性好等特點(diǎn)，對比三圖可知，電解液中加入La(NO3)3·6H2O和Na5P3O10添加劑后，膜層中的α-Al2O3和γ-Al2O3相的相對含量增多，這是因?yàn)榧尤隠a(NO3)3·6H2O后，基體合金元素與電解液中離子的交換速率增大，相互反應(yīng)生成熔融氧化物的幾率增加，而陶瓷膜中α-Al2O3和γ-Al2O3相主要由微弧區(qū)熔融Al2O3急冷凝固形成，分析認(rèn)為膜層內(nèi)部應(yīng)殘留部分過渡態(tài)氧化鋁如δ-Al2O3、θ-Al2O3和η-Al2O3，其為γ-Al2O3向α-Al2O3轉(zhuǎn)變時(shí)的中間亞穩(wěn)氧化鋁相，這些中間相往往伴隨有高度多孔狀顯微結(jié)構(gòu)的組成，但XRD檢測時(shí)未發(fā)現(xiàn)過渡相，說明其含量較少。

3 結(jié)論

（1）電解液中加入La(NO3)3·6H2O后，膜層厚度增加，且膜層的致密性得到改善，表面顆粒細(xì)小孔洞減少，能譜分析中檢測到膜層中有La元素的存在，說明其參與了氧化反應(yīng)過程。

圖1 試樣表面微弧氧化層表面的SEM像

圖2 微弧氧化層的XRD譜

（2）在添加La(NO3)3·6H2O的基礎(chǔ)上加入Na5P3O10·6H2O后，膜層厚度進(jìn)一步增大，且膜層中α-Al2O3相的相對含量增加，說明加入Na5P3O10·6H2O可以提高La(NO3)3·6H2O作用效率。

（3）在電解液中添加一定量的La(NO3)3·6H2O及Na5P3O10·6H2O可以提高電解液的電導(dǎo)率，提高膜層厚度，改善膜層表觀質(zhì)量及微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到改善膜層的性能的目的。