一种基于三氧化二硼的Al-Si-Cu系铝合金表面复合陶瓷膜层的制备方法技术

一种基于三氧化二硼的Al‑Si‑Cu系铝合金表面复合陶瓷膜层的制备方法，以Al‑Si‑Cu系铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，将工件阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极之间施加双极性脉冲电，进行微弧氧化处理，使工作液中的三氧化二硼与ADC10铝合金基体中的铝发生等离子体化学反应，从而得到ADC10铝合金表面Al2O3‑AlB12复合陶瓷膜层。本发明专利技术解决了现有Al2O3‑AlB12复合陶瓷膜层的制备过程复杂、时间长、能耗高的问题，同时还提高Al‑Si‑Cu系铝合金特别是ADC10铝合金表面微弧氧化陶瓷膜层抗弯强度和断裂韧性。

Preparation method of composite ceramic coating on Al-Si-Cu aluminum alloy surface based on three oxidation two boron

A preparation method of composite ceramic coating on Al_Si_Cu aluminium alloy surface based on boron trioxide is presented. The anode of Al_Si_Cu aluminium alloy workpiece is immersed in the working fluid with the stainless steel plate of electrolyzer as the cathode, and then the micro-arc oxidation is carried out by applying bipolar pulsed electric current between the cathode and the anode. The plasma chemical reaction between boron trioxide in working fluid and aluminium in ADC10 aluminium alloy matrix resulted in Al2O3 AlB12 composite ceramic film on ADC10 aluminium alloy surface. The invention solves the problems of complex preparation process, long time and high energy consumption of the existing Al2O3 AlB12 composite ceramic film, and also improves the bending strength and fracture toughness of the micro-arc oxidation ceramic film on the surface of Al_Si_Cu series aluminum alloy, especially ADC10 aluminum alloy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于三氧化二硼的Al-Si-Cu系铝合金表面复合陶瓷膜层的制备方法
本专利技术涉及金属表面改性，具体涉及铝合金表面陶瓷膜层及其制备方法。
技术介绍
ADC10是用废旧铝再生的一种Al-Si-Cu系压铸铝合金，由回收的废旧铝材再生而成，是一种典型的节能环保材料，其硅元素含量较高(7.5％～9.5％)液态流动性好，适于铸造发动机气缸盖罩盖、发动机等结构复杂的缸体类零件，这些零件的工况要求由它制造的零件表面要具有较高耐高温性、耐磨性和抗断裂性。微弧氧化技术经常被用来改善铝合金表面的性能。铝合金表面微弧氧化陶瓷膜层的主要成分是Al2O3，具有与基体结合力好、硬度高、耐腐蚀、耐摩擦、绝缘电阻高、耐热冲击、热稳定性好等优良性能，这有效的扩大了铝合金的应用范围，使其在航空航天、装备制造、纺织机械和电子通信等领域具有广泛的应用前景。然而，Al2O3陶瓷自身的脆性限制了它的进一步应用。目前，增韧是解决该问题较为有效的方法，其中包括弥散增韧、纤维和晶须增韧、氧化锆相变增韧、复合增韧等。AlB12的显微硬度、耐磨性、破坏负载和比破坏负载均远远大于白刚玉(含Al2O399％以上)，经常被研究人员用来对Al2O3陶瓷进行复合增韧。其工艺过程为：Al粉与B2O3粉混合，压制成型，通保护气，高温加热，自蔓延反应，缓慢冷却，机械粉碎，过筛。在利用AlB12对Al2O3增韧形成Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层的过程中，为实现自蔓延过程，高温加热需大于1800K；而缓慢冷却则有利于AlB12晶体的形成。该方法获得了Al2O3-AlB12复合陶瓷粉末。然后再经过喷涂等表面处理技术，在金属表面形成Al2O3-AlB12与基体的复合陶瓷保护层。尽管它有效地解决了Al2O3增韧问题，但是该处理过程，工艺复杂，能耗高，时间久，并且膜层与基体结合力较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为提高Al-Si-Cu系铝合金表面微弧氧化陶瓷膜层抗弯强度和断裂韧性，同时解决现有Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层的制备过程复杂、时间长、能耗高、与基体结合力差的问题，而提供一种基于三氧化二硼的Al-Si-Cu系铝合金特别是ADC10铝合金表面Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层的制备方法。本专利技术的专利技术构思是：通过极间放电能够在铝合金表面原位生长陶瓷膜层，工作时铝合金工件接微弧氧化电源的阳极，阴极接不锈钢电解槽，二者之间充满工作液，工作液装在不锈钢电解槽里面，并且铝合金工件与电解槽之间只通过工作液导通，不能相互接触或用其它导体接通。加工开始时，随着极间电压的升高，工作液中的反应物在电场的作用下向阳极运动，并在放电通道附近聚集，当阴阳两极间的电压超过法拉第放电区时，就会在金属表面产生微弧等离子体放电，微弧氧化放电是等离子体弧光放电，其过程分为浅表放电、纵深放电和埋弧放电三个阶段，等离子体放电在放电通道产生的高温高压，其核心温度可达6800K～9500K，通道边缘温度也可高达2000K，这样的高温高压使工件表面的金属、工作液中的离子或悬浊颗粒发生等离子体化学反应，埋弧放电阶段会将反应物推向放电通道底部，并在放电通道底部与基体接触部形成微熔池，使反应物、基体铝在微熔池内充分混合，并迅速反应形成新产物。狭长曲折的放电通道延缓了微熔池温度的降低。微弧氧化陶瓷膜具有耐腐蚀、耐磨、绝缘电阻高、与基体之间的结合强度高、膜层厚度和粗糙度可控等诸多优点。微弧氧化放电能量可以通过电参数控制；硼元素可以通过溶剂或者悬浊物的形式引入到工作液中，进而参加微弧氧化反应；在微弧氧化的埋弧放电阶段，由于放点通道狭长弯曲，工作液的降温作用减弱，使得微熔池的温度降低较慢，这都有利于AlB12晶体的形成，进而在工件表面原位生成一层Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层。一种基于三氧化二硼的Al-Si-Cu系铝合金表面Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行的：以Al-Si-Cu系铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，电解槽内装有预先配制好的工作液，将阳极浸没于工作液中，并且工件与电解槽之间只通过工作液导通，不能相互接触或用其它导体接通。然后在阴极和阳极之间施加双极性脉冲电，并使正向电压为50V～650V、反向电压为20V～95V，电流密度为15A/dm2～25A/dm2，频率为500Hz～1500Hz，在工作液温度为20℃～80℃的条件下，处理40min～70min，即得到Al-Si-Cu系铝合金表面Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层。其中所述工作液包括三氧化二硼、水和至少一种或两种以上的无机盐、碱或有机醇，保持三氧化二硼在工作液中的浓度为8-20g/L。三氧化二硼在工作液的浓度决定等离子体化学反应是否能正常进行。三氧化二硼浓度大于30g/L，则无法正常放电。优选的，所述的Al-Si-Cu系铝合金为ADC10铝合金。其中，ADC10铝合金元素组成，铜：2.0wt％～4.0wt％；硅：7.5wt％～9.5wt％；镁≤0.3wt％；锌≤1.0wt％；铁≤0.9wt％，锰≤0.5wt％，镍≤0.5wt％，锡≤0.3wt％；铝：余量。所述的工作液由三氧化二硼、水和无机盐组成；或所述的工作液由三氧化二硼、偏铝酸钠、水和碱组成；或所述的工作液由三氧化二硼、偏铝酸钠、水和有机醇组成；或所述的工作液由三氧化二硼、偏铝酸钠、水、有机醇和无机盐组成；或所述的工作液由三氧化二硼、偏铝酸钠、水、有机醇和碱组成；或所述的工作液由三氧化二硼、偏铝酸钠、水、碱和无机盐组成；或所述的工作液由三氧化二硼、偏铝酸钠、水、有机醇、碱和无机盐组成。所述的水为去离子水；所述的无机盐为硅酸盐、磷酸盐或钨酸盐中的一种或两种以上；所述的有机醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇或异丙醇中的一种或两种以上；所述的碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或氢氧化钡中的一种或两种以上。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术制备的一种基于三氧化二硼的Al-Si-Cu系铝合金表面Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层，与工作液中不含三氧化二硼及其它含硼化合物，且其它工艺参数相同条件下，获得相同膜层厚度的普通Al-Si-Cu系铝合金微弧氧化膜层相比，其抗弯强度提高20％～31％，断裂韧性提高20％～33％。有效地提高了Al-Si-Cu系铝合金表面微弧氧化陶瓷膜层的机械性能。2、本专利技术采用的微弧氧化处理方法，工艺过程简单，只需微弧氧化放电、清洗和干燥3道工序。微弧放电处理时间一般在40min～70min，较现有Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层处理时间大大缩短，加工效率显著提高。反应生成的Al2O3和AlB12在微熔池内充分混合，冷却后直接在工件表面形成Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层，工件基体的温度在微弧氧化处理前后变化不大，放电能量主要用于膜层的生成，因此微弧氧化的能源利用率较现有的Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层制造工艺高。具体实施方式下面通过具体实施例详述本专利技术，但不限制本专利技术的保护范围。如无特殊说明，本专利技术所采用的实验方法均为常规方法，所用实验器材、材料、试剂等均可从商业途径获得。实施例1一种基于三氧化二硼的ADC10铝合金表面Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层的制备方法是按照以下步骤进行的：以ADC10铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三氧化二硼的Al‑Si‑Cu系铝合金表面复合陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：以Al‑Si‑Cu系铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，电解槽内装有预先配制好的工作液，将阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极之间施加双极性脉冲电，并在正向电压为50V～650V、反向电压为20V～95V，电流密度为15A/dm2～25A/dm2，频率为500Hz～1500Hz，在工作液温度为20℃～80℃的条件下，处理40min～70min，即得到Al‑Si‑Cu系铝合金表面Al2O3‑AlB12复合陶瓷膜层；其中所述工作液包括三氧化二硼、水和至少一种或两种以上的无机盐、碱或有机醇，保持三氧化二硼在工作液中的浓度为8‑20g/L。

【技术特征摘要】
1.一种基于三氧化二硼的Al-Si-Cu系铝合金表面复合陶瓷膜层的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：以Al-Si-Cu系铝合金工件为阳极，以电解槽的不锈钢板为阴极，电解槽内装有预先配制好的工作液，将阳极浸没于工作液中，然后在阴极和阳极之间施加双极性脉冲电，并在正向电压为50V～650V、反向电压为20V～95V，电流密度为15A/dm2～25A/dm2，频率为500Hz～1500Hz，在工作液温度为20℃～80℃的条件下，处理40min～70min，即得到Al-Si-Cu系铝合金表面Al2O3-AlB12复合陶瓷膜层；其中所述工作液包括三氧化二硼、水和至少一种或两种以上的无机盐、碱或有机醇，保持三氧化二硼在工作液中的浓度为8-20g/L。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的Al-Si-Cu...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕鹏翔，贾卫平，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21