汽车铝合金铸件表面杂质层对微弧氧化组织的影响

季环宇,汪兵兵,朱晨

博世华域转向系统有限公司,上海 201800

0 引言

随着经济的腾飞和科学技术的发展，铝合金材料在实际生活中应用得十分广泛，因此各行各业对铝合金表面性能的要求也在逐渐提高。利用微弧氧化技术处理后的铝合金的表面生成的AlO氧化膜层通常都具有良好的性能，如耐磨、绝缘、耐腐蚀性等，在航空航天、电子信息、纺织机械、化工设备、建筑装饰及仪器设备等领域具有很大的开发价值。为了克服铝合金的腐蚀，采用微弧氧化技术对换热器的内壁进行表面处理。微弧氧化的原理是使金属置于电解质溶液中并通入电压后，在金属表面发生氧化反应，生成耐腐蚀性优良、绝缘性好的氧化陶瓷膜。文中通过对铝合金铸件表面杂质层对微弧氧化组织的影响的研究，对试验所得氧化层的组织性能进行分析，从而总结出铸件表面杂质对氧化层质量影响规律，为其技术发展提供理论指导，并且为铝合金材料的应用提供了更好的发展前景。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验所用材料为从汽车壳体铝合金上采样，试棒如图1所示，取6根方形棒材制成样品，样品表层本身已覆有杂质层，分别对这6根试样直接进行微弧氧化处理。另外，从铸件侧面割下一块方形片状试样进行XRD分析，方形片状试样如图2所示。

图1 试棒

图2 方形片状试样

1.2 试验药品

使用3种药品配制6 L电解质溶液，其配方见表1。其中硅酸钠共48 g、氢氧化钠共30 g和乙二胺四乙酸二钠30 g，并加入6 L蒸馏水。

表1 电解质溶液配方

1.3 试验仪器设备

试验所使用的试验仪器主要有：MAO-30 kW型微弧氧化成套设备；扫描电镜设备(SEM)、X射线衍射仪(XRD);电子天平、称量纸；水磨砂纸、烧杯；金相抛光机；热恒温鼓风干燥机。

1.4 试验流程

首先准备好试样，并对其进行锯割、打磨等前期工作；然后分别对6组试样进行微弧氧化处理;之后分别从每根试样上截下一小段，将其磨平并选取一个截面进行抛光等后处理;最后进行SEM分析以及XRD分析。试验流程如图3所示。

图3 试验流程

试验主要观察电压与时间的变化对氧化陶瓷层的影响，因此采取温度、占空比和频率等因素都不变的情况下进行微弧氧化，即电压和时间两个参数变化。每个样品所对应的氧化时间和电压等参数分别见表2。

表2 试样参数

2 试验分析及结果

2.1 试验现象

由于1#与2#样品控制了电压这个变量，采用相同电压300 V，只是1#试样通电20 min，而2#通电30 min，因此这两组试验现象基本相同。试样表面基本观察不到弧光，试验过程中电流在不断地变化，由开始的3 A逐渐降至0.3 A左右跳动。试验现象如图4所示。

图4 电压为300 V的试验现象

3#与4#试样，电压均为400 V，3#通电20 min，4#通电30 min，试验现象基本一致。表面可见反应弧光，反应比300 V时剧烈，电流不断跳动，最终降至0.5 A左右。试验现象如图5所示。

图5 电压为400 V的试验现象

5#与6#试样，电压均为450 V，5#通电20 min，6#通电30 min，试验现象大致相同。表面出现剧烈的弧光，反应最为激烈，电流不断跳动且逐渐下降，最终在0.6 A左右。试验现象如图6所示。

图6 电压为450 V的试验现象

2.2 表面XRD分析

对经微弧氧化处理过后的试样表面作X射线衍射分析，观察其表面元素及主要成分的变化情况。由于1#～6#试样的表面XRD结果基本一致，因此选择其中的6#试样作具体分析，6#试样进行微弧氧化时的主要电参数为：电压450 V，氧化时间30 min，占空比50%。该试样的表面X射线衍射结果分析如图7所示。

图7 微弧氧化层XRD分析

由图7可观察到，出现了明显的α-AlO和γ-AlO的衍射峰，尤其是γ-AlO；该化合物并不是来自铝合金基体本身的。由以上结论得知，出现α-AlO衍射峰和γ-AlO衍射峰是由于经微弧氧化处理后，在试样表面形成了一层氧化铝膜层。

2.3 表面SEM分析

在完成微弧氧化处理之后，需对试样表面进行SEM分析，观察其表面形貌。图8是在氧化时间为20 min、电压为300 V的氧化下分别放大1 000倍及3 000倍时的表面形貌。由图8a可观察到，在放大1 000倍时，微弧氧化得到的氧化陶瓷层表面存在密集、大小不一的孔隙；在放大3 000倍时，孔隙被放大，如图8b所示，可观察到孔隙口为圆形、形状似火山口，同时也可以看到周围一些细小孔隙接近被堵住。

图8 氧化时间为20 min、电压为300 V氧化下的表面形貌

形成这种孔隙的主要原因是：在进行微弧氧化形成氧化膜时，会伴随着产生电火花放电的现象，并且氧化膜层会被瞬间击穿，在击穿的同时会有熔融氧化物经放电通道溢出，并在周围沉积，因此形成了这样的形似火山口的孔隙，一些细小孔隙也是由于这些沉积物而被堵住。

由图9a可观察到，在放大1 000倍时，该参数下氧化得到的陶瓷膜的孔隙变得更加细小，且数量有所减少；在放大3 000倍时，也可明显看出孔隙明显缩小，如图9b所示。孔隙之所以缩小且数量减少，是因为电压被升高且同时氧化时间也被增加了，微弧氧化反应会因此更加剧烈。进而引起熔融氧化物的逐渐增多，孔隙会逐渐缩小，且因为氧化物增多了，更多细小的孔隙被沉积氧化物堵住，在试样表面形成的氧化膜层也正是因为这个原因而变得更加致密。

图9 氧化时间为30 min、电压为450 V氧化下的表面形貌

由上述两组试验结果可知，铸件表面含有杂质层仍然可以生长出微弧氧化膜，且当微弧氧化时间增加和电压升高时，微弧氧化形成的膜层也会随之变得更加致密。

2.4 截面SEM分析

试样进行过微弧氧化后，会对每组试样进行后处理，从每组试样上截下一小块制成小样品，并对截面进行打磨抛光，以观察其截面的形貌组织。图10为1#～6#试样的截面形貌。其中图10a、c、d、e、f中灰色点划线的上方为氧化膜，下方为铝合金基体；图10b中灰色点划线左侧为氧化膜，右侧是金属基体，图中灰色点划线表示基体和氧化膜层的界面。

图10 1#～6#试样的截面形貌

由图10可知，1#～6#试样均能生成微弧氧化膜，但可能由于试样的处理过程以及打磨抛光过程不能完全控制一致，以及各个试样拍摄角度不同，因此氧化膜层厚度不一，没有表现出一定规律。但由以上结果可知，铸件表面杂质层并不会阻碍氧化陶瓷层的生长。因此，在铸件表面含有杂质层时，即使不作任何处理，在铸件的表面也可以生长出良好的微弧氧化陶瓷层。

3 结论

(1)由铸件经微弧氧化XRD分析结果可知：经微弧氧化处理后的试样的XRD分析图中出现了明显的α-AlO和γ-AlO的衍射峰，说明不经任何处理铸件表面含杂质层时是可以生成微弧氧化膜的。

(2)由SEM分析得到的表面形貌图可知，多孔状氧化膜的形成主要是因为在放电过程中，粒子击穿氧化膜时熔融氧化物的溢出及沉积，因而形成了形似火山口的孔隙；根据不同参数下的结果对比可知氧化时采用的电压越高、时间越长，得到的氧化膜层会更加致密，孔隙变得更小且数量更少。

(3)根据截面SEM分析可知，铸件表面含杂质层，基体表面仍然可以生长微弧氧化膜。

根据以上实验结果，在杂质层表面的氧化机制具体可作如下总结：粒子在放电过程中首先击穿杂质层，然后在铸件内部合金基体的表面产生作用而生长出氧化陶瓷层。试验结果也表明铝合金铸件表面杂质层对微弧氧化组织的影响并不明显，杂质层并不会影响或阻碍陶瓷层的生长。