微弧氧化对AZ91D镁合金高温耐磨性影响

金　杰，李　欢，厉　淦

(1.浙江工业大学 材料表面研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

微弧氧化对AZ91D镁合金高温耐磨性影响

金杰1，李欢1，厉淦2

(1.浙江工业大学 材料表面研究所，浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学 机械工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：采用微弧氧化技术在AZ91D镁合金表面制备一层陶瓷涂层.运用XRD，SEM和EDS分别对涂层相成分、涂层表面、截面、元素成分进行观察分析.采用UMT-3高温摩擦磨损试验机研究AZ91D镁合金和微弧氧化涂层在200 ℃条件下的磨损性能，并结合SEM和EDS对磨痕形貌和磨屑成分进行分析.结果表明：镁合金在200 ℃条件下磨损和氧化严重，其磨痕宽度约为700 μm.经过微弧氧化处理的试样磨痕宽度仅为400 μm，磨损较镁合金得到明显改善.对磨痕形貌及磨屑成分观察分析，镁合金在200 ℃条件下磨损机制主要为氧化磨损和犁削磨损，而微弧氧化涂层则主要为磨粒磨损.

关键词：AZ91D；微弧氧化；高温；磨损性能

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

镁合金被视为21世纪最具开发和利用的材料，具有密度低、比强度高，能量衰减系数大等特点，在汽车、电子等制造领域被人们广泛关注.但是镁合金也具有化学活性强、抗蠕变性能弱以及较差的耐腐蚀和抗磨损性能[1-3]，这些不足很大程度上制约了镁合金在工业领域中的广泛应用.近年来微弧氧化(MAO)技术广泛应用于镁合金表面改性上，该技术可以在镁合金表面制备一层硬质涂层，从而提高镁合金的耐磨损性能[4].目前，研究者对镁合金微弧氧化涂层摩擦磨损性能研究并不多[5-10]，对其在高温条件下摩擦磨损性能研究甚少.因此，笔者重点对比研究微弧氧化涂层与镁合金在高温条件下的摩擦磨损性能，并分析其磨损机理，希望能将微弧氧化技术应用于提高镁合金抗高温磨损领域.

1实验

1.1样品制备

实验材料为AZ91D镁合金，尺寸为35 mm×60 mm×2 mm.为了使试样能与微弧氧化电源正极相连，需对试样进行钻孔.试样之后用150#~800# CW水砂纸打磨，再用丙酮超声波清洗15 min，最后用去离子水冲洗干净并用吹风机吹干.微弧氧化采用哈尔滨工业大学研制的DSM35F微弧氧化装置，实验时镁合金作阳极，不锈钢槽作阴极.电解液由10 g/L硅酸钠、10 g/L磷酸钠、8 g/L氢氧化钠及少量添加剂组成，采用恒流模式，电流密度20 A/dm2，频率800 Hz，占空比20%，处理时间20 min，电解液温度维持在20 ℃左右.

1.2表征

采用UMT-3往复式高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，对磨材料选用直径9.5 mm的Si3N4球.试验温度为200 ℃，载荷为4 N.为保证试样各处温度均衡，摩擦实验开始前先在200 ℃条件下保温5 min.单次滑动距离20 mm，时间20 min，频率2 Hz.采用XRD分析涂层的相组成，XRD采用Cu靶射线，扫掠角度10°~80°.采用Hitachis-4700型扫描电子显微镜(SEM)观察涂层表面、截面及磨痕形貌.利用能谱仪(EDS)对涂层表面元素和磨屑元素的质量分数进行测定.

2结果与讨论

2.1涂层成分

图1为镁合金和微弧氧化涂层的XRD图谱，从图1中可以得出涂层主要由MgO和Mg2SiO4相组成.由于涂层厚度较薄因此出现基体Mg相.MgO相和Mg2SiO4相的形成是由于微弧氧化过程会产生很高的热量，使得镁合金表面发生熔融，熔融的镁与电解液中的氧和硅酸根在放电通道中反应生成相应的MgO相和Mg2SiO4相[11].MgO相和Mg2SiO4相的生成可以明显的提高镁合金的表面硬度.从表1可知：镁合金表面元素主要为Mg和O，且Mg元素的质量分数远远高于O元素.而涂层中Mg与O元素质量分数比例接近1∶1，结合XRD图谱可推断出涂层中MgO相最多.涂层中Na, Si及P元素则主要来自微弧氧化电解液中.

图1　镁合金和MAO涂层XRD图谱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涂层形貌

镁合金微弧氧化涂层的表面及截面形貌如图2所示.从图2(a)中可以看出：微弧氧化表面粗糙，为多孔状结构.这是由于微弧氧化初期，镁合金表面形成一层钝化薄膜，随着电极两端电压的升高，钝化膜薄弱区域被击穿形成电弧并伴随产生很高的热量，使得镁合金表面发生熔融并且熔融金属与电解液中元素在放电通道中发生反应.反应生成的熔融物在内部热压力作用下喷射到涂层表面并与较冷的电解液接触而迅速凝固，由于熔融物来不及填充放电通道，因此涂层表面形成多孔状结构.孔洞之间存在一些显微裂纹，这可能是孔洞等缺陷内的气泡在高压电场的作用下引起气体电离，此过程产生大量的热及较高的内应力，使材料丧失机械强度而出现裂纹[12].从图2(b)中看出：微弧氧化涂层厚度约为15 μm.涂层与基体之间结合紧密，结合处无明显缺陷.涂层可以分为两层结构，靠近表面的为疏松层，其厚度大约为12 μm，疏松层孔洞缺陷比较多，结构疏松；靠近膜基结合处为致密层，其厚度较薄，仅为2 μm左右，致密层缺陷较少，结构也比较致密.

图2　MAO涂层表面和截面形貌Fig.2　The surface and cross-sectional morphology of MAO coating

2.3摩擦磨损性能

图3所示为镁合金和微弧氧化涂层在200 ℃干摩擦条件下的摩擦系数随时间变化曲线.镁合金试样在0~200 s磨损时摩擦系数随时间增加而升高，200 s之后摩擦系数基本维持在0.5左右变化，变化幅度较大.对于微弧氧化处理的试样，试样在与Si3N4球接触初期摩擦系数急剧升高，随后急速降低，出现峰值.之后摩擦系数随着时间缓慢升高，300 s之后摩擦系数基本维持在0.3左右，其变化幅度较小.

图3　摩擦系数随时间变化曲线Fig.3　Relation curves between friction coefficient and time

Table 2Mean friction coefficient of magnesium alloy and MAO coating

试样名称平均摩擦系数镁合金试样MAO涂层0.520.31

由表2可知：镁合金在200 ℃条件下的平均摩擦系数约为0.52，微弧氧化涂层的平均摩擦系数约为0.31，即镁合金经微弧氧化处理后，其平均摩擦系数减少，有利于改善镁合金在高温条件下的摩擦学性能.

对磨痕形貌观察可知(图4)：镁合金试样磨痕宽度约为700 μm，磨痕表面呈现典型的犁沟状形貌.这是由于温度升高使得镁合金基体的抗变形能力下降，硬质磨球压入到较软的基体中然后在滑动时犁削带走部分基体材料而发生磨损，温度高时磨球压入基体容易，沟痕也较深，犁削严重.经过微弧氧化处理的试样磨痕宽度仅为400 μm，较镁合金试验磨痕宽度有了明显的减小，其磨痕表面相对平整，并未出现犁沟状形貌，在磨损20 min后涂层尚未磨穿.这是由于涂层硬度高，能有效抵抗磨球的压入，因此磨痕宽度较小.对比图4(a，b)，微弧氧化可以明显提高镁合金在高温条件下的耐磨损性能.

图4　镁合金和MAO涂层磨痕形貌Fig.4　Wear track morphology of magnesium alloy and MAO coating

从图5(a)可知：镁合金磨痕为典型犁削磨损，犁沟边缘存在大量磨屑.图5(b)微弧氧化涂层磨痕表面致密平整，磨痕表面存在许多细小磨屑.由于温度升高镁合金基体塑性和粘性增强，因此犁沟处出现部分材料塑性流动和粘附现象.磨屑粘附和犁沟形貌存在使得磨痕表面粗糙，摩擦系数变化较大.微弧氧化涂层疏松层为多孔状结构，缺陷多，强度小，表面硬质微凸体受到载荷作用会发生脆性断裂而形成磨屑，磨屑在硬质磨球的往复运动中逐渐被研磨成细小的磨屑，并填充微弧氧化孔洞，使得磨痕表面结构致密平整，摩擦系数趋于稳定.

分别对镁合金基体和微弧氧化涂层表面磨屑成份进行分析可知(表3)：1处磨屑的主要元素成分为镁和氧，与表1中基体表面该元素质量分数相比，氧元素质量分数明显增加，这主要是由于高温及摩擦过程中产生的高温使得镁合金表面氧化，因此其磨损机理主要为犁削磨损和氧化磨损；而2处磨屑的主要元素为氧和镁，与磨损前微弧氧化涂层中镁和氧元素的质量分数相差不大，因此硬质磨屑主要为涂层脆性断裂和研磨形成，其磨损机理主要为磨粒磨损.

图5　镁合金和MAO涂层磨痕微观形貌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结论

在硅酸盐和磷酸盐复合电解液体系下，通过微弧氧化在AZ91D镁合金表面制备一层主要成分为MgO和Mg2SiO4的硬质涂层.涂层表面为粗糙多孔状结构，与基体结合紧密.涂层明显分为两层结构，即外部疏松层和内部致密层.微弧氧化技术可以明显的提高镁合金在高温条件下的耐磨损性能.在200 ℃条件下镁合金主要发生氧化磨损和犁削磨损，而微弧氧化涂层则主要发生磨粒磨损.

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(责任编辑：刘岩)

中图分类号：TG178

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)03-0257-04

作者简介：金杰(1964—)，男，浙江上虞人，教授，研究方向为镁合金表面硬质涂层制备，E-mail：bluejinjie@126.com.

收稿日期：2014-12-29