一种铝合金表面微弧氧化涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铝合金表面微弧氧化涂层及其制备方法，通过在醋酸钠电解液体系中添加微米级或纳米级六方氮化硼，探究适合的电解液配方，然后在优化电解液体系中制得了性能优良的高减磨性和耐磨性的陶瓷涂层。六方氮化硼微粒存在于涂层中，具有高耐磨性和减磨性能。通过在铝合金表面制备的膜层来增加其耐磨性加速铝合金的进一步工业化应用。

【技术实现步骤摘要】
一种铝合金表面微弧氧化涂层及其制备方法
本专利技术涉及电化学领域，具体涉及一种铝合金表面微弧氧化涂层及其制备方法。
技术介绍
铝是地壳中储量最多的一种金属元素，铝合金也是最重要的轻合金之一，其轻便、成本低、抗腐蚀性能出色、热导率高、无磁性的特点，使其具有良好的可成型性、可焊接性、可加工性，广泛应用于要求有一定强度的各种工业结构件。为了适应不同的用途，生产出了不同系列的变形铝合金，有铝硅合金、铝镁合金、铝锂合金、铝铜合金、铝锌合金等等。然而铝合金作为结构材料，存在质地软、耐磨性较差、在特殊环境下耐蚀性差等缺点，这严重影响了其用途。因此，人们通过在铝合金表面制备相应的膜层来增加其耐磨性，从而扩大铝合金的应用范围。传统铝合金表面的处理方法有很多种，分为阳极氧化、化学氧化、电镀、化学和物理气相沉积、等离子喷涂、热喷涂等，其中阳极氧化的应用较为广泛。然而传统阳极氧化得到的氧化膜较薄且硬度低，经常无法满足实际应用，且实验过程的电解液为强酸性，对环境危害较大。层状结构六方氮化硼(HBN)，与石墨是等电子体。它具有白色石墨之称，具有类似石墨的层状结构，有良好的润滑性、电绝缘性导热性和耐化学腐蚀性，具有中子吸收能力，化学性质稳定对所有熔融金属化学呈惰性，成型制品便于机械加工，有很高的耐湿性。在氮气压力下熔点为3000℃，在大气压下于2500℃升华。其理论密度为2.29克/立方厘米。莫氏硬度2，抗氧温度900℃，耐高温2000℃。氮化硼是化学惰性的材料，在氩气气氛下直至2700℃仍是稳定的。若将其引入微弧氧化陶瓷膜层中，有望降低微弧氧化陶瓷膜层的摩擦系数，提升微弧氧化陶瓷膜层的耐磨性。微弧氧化技术，又被称为等离子体氧化，阳极火花沉积等，是一种新兴的表面处理技术，被广泛的运用于铝及铝合金制品。微弧氧化与传统阳极氧化相似，但是又大不相同，微弧氧化的电压数值与要远远超过传统阳极氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层，具有表面硬度高、耐磨性能好、工艺可靠、设备简单、操作方便等特点。铝合金在电解液中通过高压放电作用，其表面生成一层与基体以冶金方式结合的氧化铝为主的陶瓷层，陶瓷质的高硬度高稳定性满足铝合金改善耐磨等性能要求。微弧氧化膜层的性能和其成分和相结构有关，而膜层的成分和相结构又和微弧氧化所用的电解液成分有很大的关系。迄今为止，有关铝合金微弧氧化处理的电解液以硅酸盐居多，此外所用的电解液浓度多为低浓度的碱性溶液。硅酸盐等电解液中进行微弧氧化处理使膜层中引入其他杂质成分，降低膜层的耐磨性；使用另外一种微弧氧化电解液，即铝酸盐电解液，虽可以得到纯氧化铝的微弧氧化膜，但铝合金在高浓度铝酸盐溶液中不能依靠常规的一步微弧氧化法成膜工艺复杂，影响膜层耐磨性。目前国内外关于一步微弧氧化涂层技术不能得到耐磨性能良好的铝合金微弧氧化膜层，因此提供一种将电解液体系用于铝合金的微弧氧化处理的方法对提高膜层的保护性能具有重要意义。
技术实现思路
为了现有技术不足，本专利技术的一个目的是提供一种铝合金表面减磨耐磨的微弧氧化涂层，HBN微粒在微弧氧化的过程中进入涂层中，制备的富含HBN的复合微弧氧化陶瓷膜层具有较低的摩擦系数和摩擦失重，即具有高耐磨性和减磨性能。本专利技术第二个目的是提供一种电解液体系，该电解液为添加微米或纳米级六方氮化硼的醋酸盐电解液体系。该电解液体系可使铝合金表面阳极氧化或微弧氧化时得到高耐磨性的致密氧化膜。本专利技术第三个目的是提供一种铝合金表面减磨耐磨的微弧氧化涂层的制备方法，在电解液体系中添加微米级或纳米级HBN，探究适合的电解液配方，然后在优化电解液体系中，制得了性能优良的高减磨性和耐磨性的陶瓷涂层。本专利技术的第四个目的是提供一种摩擦零件，应用上述铝合金表面微弧氧化涂层的零件表面具有高耐磨性和减磨性能，减少零件表面的摩擦损耗。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种铝合金表面微弧氧化涂层，涂层含有微米级或纳米级HBN，微米级HBN复合氧化膜层的平均摩擦系数为≤0.46，磨损失重率≤16.5×10-5g/min；纳米级HBN复合氧化膜层的平均摩擦系数为≤0.386，磨损失重率≤3.5×10-5g/min。一种用于铝合金表面微弧氧化处理的电解液体系，其特征在于，所述的电解液为添加微米或纳米级六方氮化硼的醋酸盐电解液体系。优选的，微米级六方氮化硼添加剂的粒径为0.1～10μm，浓度为1～50g/L。优选的，微米级六方氮化硼添加剂的粒径为0.1～2μm浓度为1～25g/L。进一步优选的，微米级六方氮化硼的粒径为0.1～0.9μm，浓度为1.5～12g/L。优选的，纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为或1～100nm，浓度为0.1～50g/L。优选的，纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为或10～90nm，浓度为0.1～25g/L。进一步优选的，纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为40～60nm，浓度为0.1～2g/L。优选的，醋酸盐电解液体系配方：醋酸盐浓度为5～20g/L，六偏磷酸盐浓度为2～10g/L，钨酸盐浓度为1～10g/L，乙二胺四乙酸盐浓度为0.2～1g/L。进一步优选的，醋酸盐电解液体系配方：醋酸钠(AcNa)浓度为8～12g/L，六偏磷酸钠((NaPO3)6)浓度为4～8g/L，钨酸钠(Na2WO4)浓度为2～4g/L，乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)浓度为0.4～0.6g/L。最优选的，电解液配方：醋酸钠浓度为12g/L，六偏磷酸钠浓度为4g/L，钨酸钠浓度为4g/L，乙二胺四乙酸盐浓度为0.5g/L，微米级六方氮化硼的添加量为10.5g/L。最优选的，电解液配方：醋酸钠浓度为10g/L，六偏磷酸钠浓度为6g/L，钨酸钠浓度为3g/L，乙二胺四乙酸盐浓度为0.5g/L，纳米级六方氮化硼的添加量为1.5g/L。一种铝合金表面微弧氧化涂层的制备方法，以铝合金为基体，选用添加微米或纳米级六方氮化硼的醋酸盐作为电解液体系，对铝合金进行微弧氧化处理。优选的，微弧氧化处理具体步骤：将基体进行预处理后晾干，置于电解液中作为正极，不锈钢槽作为负极，通冷却水循环保持电解液温度控制在50℃以下，采用微弧氧化电源供电，电源频率范围400～600Hz，电流密度4～10A/dm2，占空比20％～40％，通电反应20～30min；优选的，微弧氧化电源参数为电源频率范围500Hz，电流密度6A/dm2，占空比40％，通电反应30min。优选的，微弧氧化电源为双向脉冲电源、单向脉冲电源或直流电源。优选的，微米级六方氮化硼添加剂的粒径为0.1～10μm，浓度为1～50g/L。优选的，微米级六方氮化硼添加剂的粒径为0.1～2μm浓度为1～25g/L。进一步优选的，微米级六方氮化硼的粒径为0.1～0.9μm，浓度为1.5～12g/L。优选的，纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为1～100nm，浓度为0.1～50g/L。优选的，纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为10～90nm，浓度为0.1～25g/L。进一步优选的，纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为40～60nm，浓度为0.1～2g/L。优选的，醋酸盐电解液体系配方：醋酸盐浓度为5～20g/L，六偏磷酸盐浓度为2～10g/L，钨酸盐浓度为1～本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金表面氧化涂层，其特征在于，该涂层含有微米级或纳米级六方氮化硼，微米级六方氮化硼复合氧化膜层的平均摩擦系数为≤0.46，磨损失重率≤16.5×10

【技术特征摘要】
1.一种铝合金表面氧化涂层，其特征在于，该涂层含有微米级或纳米级六方氮化硼，微米级六方氮化硼复合氧化膜层的平均摩擦系数为≤0.46，磨损失重率≤16.5×10-5g/min；纳米级HBN复合氧化膜层的平均摩擦系数为≤0.386，磨损失重率≤3.5×10-5g/min。2.一种用于铝合金表面微弧氧化处理的电解液体系，其特征在于，所述的电解液为添加微米或纳米级六方氮化硼的醋酸盐电解液体系。3.一种铝合金表面微弧氧化涂层的制备方法其特征在于，以铝合金为基体，选用如权利要求2所述的电解液体系，对铝合金基体进行微弧氧化处理。4.根据权利要求3所述的微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于，所述的微米或纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为0.1～10μm或1～100nm，浓度为1～50g/L或0.1～50g/L，优选为所述的微米或纳米级六方氮化硼添加剂的粒径为0.1～2μm或10～90nm，浓度为1～25g/L或0.1～25g/L，更优选为微米级六方氮化硼的粒径为0.1～0.9μm、浓度为1.5～12g/L或纳米级六方氮化硼的粒径为40～60nm、浓度为0.1～2g/L。5.根据权利要求3所述的微弧氧化涂层的制备方法，其特征在于，所述的醋酸盐电解液体系配方：醋酸盐浓度为5～20g/L，六偏磷酸盐浓度为2～10g/L，钨酸盐浓度为1～10g/L，乙二胺四乙酸盐浓度为0.2～1g/L，优选为醋酸钠浓度为8～12g/L，六偏磷酸钠浓度为4～8g/L，钨酸钠浓度为2～4g/L，乙二胺四乙酸二钠浓度为0.4～0.6g/L，更优选为醋酸钠浓度为12g/L，六偏磷酸钠浓度为4g/L...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈传忠，王君峰，于慧君，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37