一、微弧氧化陶瓷膜的外觀檢驗(yàn)
本實(shí)驗(yàn)條件各種參數(shù)下所制得的微弧氧化陶瓷層外觀大部分為白色，有少量試樣處理后表面顏色偏向灰白色，同一試樣各處顏色均勻。微弧氧化后試樣表面無(wú)明顯的深孔出現(xiàn)，外觀等級(jí)分?jǐn)?shù)均在70以上。試樣制備過(guò)程中，我們分別對(duì)重熔后的電弧噴涂鋁層采用不同型號(hào)的砂紙打磨，以獲得不同表面粗糙度的原始試樣表面(最光潔表面打磨止800＃砂紙)。
微弧氧化后發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的試樣的表面粗糙度都增大了，而且同等處理參數(shù)條件下原先粗糙度較小的試樣處理后表面粗糙度增大反而顯著，我們推測(cè)其具體原因與陶瓷層生長(zhǎng)過(guò)程的特點(diǎn)有關(guān)，具體分析見(jiàn)本文的討論部分。電參數(shù)對(duì)微弧氧化陶瓷層表面粗糙度的影響也較為明顯。同等的前處理狀態(tài)下，隨著電流密度和處理時(shí)間的增加，微弧氧化陶瓷層的表面粗糙度呈增大的趨勢(shì)。圖4-20顯示的是微弧氧化過(guò)程中試樣表面粗糙度的變化情況，從1001#到1006#的電流密度為15 A/dm2，處理時(shí)間分別為：45 s，10 min，15 min，20 min，25 min，35 min。
實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，如果長(zhǎng)時(shí)間在大電流密度條件下對(duì)試樣進(jìn)行微弧氧化處理，將會(huì)使表面陶瓷層發(fā)生局部剝落，出現(xiàn)小坑。我們認(rèn)為，這是由于微區(qū)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間能量輸入過(guò)大使微熔區(qū)發(fā)生小范圍“飛濺”，而且過(guò)大能量的輸入使表面陶瓷層出現(xiàn)嚴(yán)重的擊穿破壞。實(shí)驗(yàn)中這是應(yīng)該極力加以避免的。
二、微弧氧化陶瓷層的耐蝕性能
從圖4-21中可以看出，在各種濃度的NACL溶液中，微弧陶瓷化處理后的試樣的耐蝕性能最為優(yōu)良，優(yōu)于重熔前后的沒(méi)有經(jīng)過(guò)此處理的試樣，而重熔后試樣的耐腐蝕性又好于未經(jīng)過(guò)重熔的試樣。三種材料的腐蝕增重具有相同的特點(diǎn)，即隨著NACL溶液的濃度增加，腐蝕增重先增后減，在NACL溶液的濃度大約為10%的時(shí)候腐蝕增重達(dá)到最大。
本實(shí)驗(yàn)所用浸泡液中含有Cl-，溶液中又有溶解氧存在，Cl-的存在破壞了鋁表面的鈍化膜，或阻礙了鋁表面氧的吸附而形成蝕孔，蝕孔內(nèi)鋁就發(fā)生溶解。在NaCl溶液中，陰極反應(yīng)為吸氧反應(yīng)，孔內(nèi)氧濃度下降，而蝕孔外富氧形成氧濃差電池�？變�(nèi)Al3+的不斷增加，為保持電中性，蝕孔外陰離子（Cl-）向孔內(nèi)遷移，孔內(nèi)氯離子濃度升高。又因?yàn)榭變?nèi)鋁離子濃度升高并發(fā)生水解生成Al(OH)3和H+，這使孔內(nèi)溶液氫離子濃度升高，pH值降低�？變�(nèi)酸化，使蝕孔內(nèi)金屬處于HCl介質(zhì)中，即處于活化溶解狀態(tài)；而蝕孔外的金屬處于富氧的中性介質(zhì)中，表面維持鈍態(tài)。從而構(gòu)成了活化(孔內(nèi))-鈍化(孔外)腐蝕電池，促使蝕孔內(nèi)金屬不斷溶解，蝕孔外表面發(fā)生氧的還原。這樣使腐蝕以自催化的過(guò)程發(fā)展下去，從而促進(jìn)腐蝕破壞的迅速發(fā)展。微弧氧化層的耐NaCl溶液的腐蝕性之所以好于重熔前后的電弧噴涂鋁層，是因?yàn)樗谋砻娼^大部分為陶瓷層所覆蓋。由于鋁在NaCl溶液中腐蝕的陰極反應(yīng)為吸氧腐蝕，而氧的溶解度又隨溶液濃度的增加而減小，因此當(dāng)NaCl濃度較低時(shí)(<10%)，不影響溶液中的溶氧量，陰極反應(yīng)不受限制，此時(shí)Cl-的破壞作用控制腐蝕的速度，因而腐蝕速度隨溶液中Cl-的增加而增大。但當(dāng)溶液濃度較高時(shí)(>10%)，溶液中的溶氧量下降，溶氧的減少，使陰極反應(yīng)受到限制，盡管這時(shí)溶液中有足夠多的Cl-，但它已不是起控制作用的因素了，此時(shí)，氧的溶解量決定了整個(gè)腐蝕反應(yīng)的速度。這就是腐蝕增重在10%NaCl溶液中出現(xiàn)極大值的原因。我們又測(cè)定了重熔電弧噴涂鋁層微弧氧化前后的腐蝕極化曲線，如圖4-22所示。
從圖4-22中可以看出微弧氧化試樣的自然腐蝕電位約-200 mV，而未微弧氧化試樣的自然腐蝕電位約為-370 mV。由于自然腐蝕電位越低越易腐蝕，而未微弧氧化試樣相對(duì)微弧氧化試樣來(lái)說(shuō)自然腐蝕電位較負(fù)，故耐腐蝕性能不如微弧氧化試樣，這與前面的浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的。
三、微弧氧化陶瓷層的耐磨性能
將微弧氧化陶瓷層的耐磨性與45鋼(經(jīng)840℃淬火+150℃低溫回火)進(jìn)行比較，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-23所示。
由圖4-23可以看出，在較短的摩擦延長(zhǎng)米(<20 M)和較長(zhǎng)的摩擦延長(zhǎng)米(>20 M)情況下微弧氧化陶瓷層的耐磨性和45鋼呈現(xiàn)出不同的優(yōu)劣性：當(dāng)摩擦行程相對(duì)較小時(shí)，微弧氧化陶瓷層的磨損失重比45鋼稍大；而隨著行程的增加，微弧氧化陶瓷層良好的耐磨損性能逐漸體現(xiàn)出來(lái)，尤其是當(dāng)摩擦延長(zhǎng)米達(dá)到50~60 M的時(shí)候，微弧氧化陶瓷層的磨損失重僅為45鋼的1/2。我們認(rèn)為，微弧氧化陶瓷層內(nèi)外不同的結(jié)構(gòu)和相組成是造成陶瓷層和45鋼耐磨性的優(yōu)劣在大小摩擦延長(zhǎng)米條件下有所變化的原因。根據(jù)前面所做的微弧氧化陶瓷層相分析以及形貌觀察我們知道，微弧氧化陶瓷層外層是較為疏松的組織，因此容易被磨損掉；而隨著疏松外層的消失，陶瓷層內(nèi)部的致密層顯露出來(lái)，內(nèi)部組織的Α-AL2O3比外部要多，其良好的耐磨性逐漸體現(xiàn)出來(lái)。
因此我們認(rèn)為，對(duì)于精密配合的磨損件采用微弧氧化處理后可先行打磨掉外部疏松層，以避免出現(xiàn)因磨損初期較大失重而造成零件失效。圖4-24為陶瓷層磨損前后的表面形貌。C點(diǎn)為較深的放電孔在磨損后的形貌，D點(diǎn)處為“山坡”之間的“溝渠”在磨損后的形貌，綜合比較A、B、C三處形貌，我們可以推測(cè)放電孔是一種倒立的錐形結(jié)構(gòu)。在圖4-24中還可以可以看到陶瓷層表面的一些“溝渠”和殘留小孔，在摩擦副中這些“溝渠”和殘留小孔可以作為潤(rùn)滑油的有效載體，來(lái)減少潤(rùn)滑摩擦條件下的摩擦系數(shù)。
四、復(fù)合膜層的抗熱沖擊性能
文獻(xiàn)提到，微弧氧化陶瓷層可在300℃水淬35次無(wú)變化。我們采用了更為苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，即把保溫溫度提高到450℃。實(shí)驗(yàn)中，我們分別采用水冷熱沖擊和空冷熱沖擊的方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。
(1)空冷熱沖擊
與上述方法類(lèi)似，把試樣放入電阻爐中加熱至450℃保溫5 min后取出空冷3 min，認(rèn)為試樣己足夠冷卻后，再次放入電阻爐中加熱，如此反復(fù)40次后觀察膜層表面形貌。
(2)水冷熱沖擊
把試樣放入電阻爐中加熱至450℃，保溫5 min后取出放入水中，l min后將試樣取出放入電阻爐中加熱，如此反復(fù)40次后觀察膜層表面形貌。與未進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)的試樣相比較，熱沖擊后的試樣表面幾乎沒(méi)有發(fā)生任何變化�？梢钥闯�，一類(lèi)裂紋產(chǎn)生在放電孔較為密集區(qū)域，裂紋沿著放電孔的方向發(fā)展，將放電孔連接起來(lái)；另一類(lèi)裂紋發(fā)生在較大的“山坡體”上。為了觀察膜層在更惡劣的熱沖擊條件下的變化，我們對(duì)進(jìn)行完實(shí)驗(yàn)(1)和實(shí)驗(yàn)(2)的平行試樣又進(jìn)行了一次450℃保溫10 MIN加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，然后分別空冷和水冷至室溫，圖4-27和圖4-28分別是進(jìn)行完上述空冷和水冷熱沖擊加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)后陶瓷層的表面形貌。
可以看出，膜仍然沒(méi)有脫落的痕跡，只發(fā)現(xiàn)空冷熱沖擊試樣表面開(kāi)始出現(xiàn)微小裂紋，而水冷熱沖擊試樣表面的裂紋略有所變寬。而且從試樣的截面觀察來(lái)看，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)貫穿至膜層深處的裂紋。這表明上述裂紋僅存在于膜層表面及疏松層，而對(duì)整體膜層損害不大。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合膜層抗熱沖擊性能良好。與原始試樣相比，熱沖擊后的試樣沒(méi)有發(fā)現(xiàn)特征性的變化，僅僅在表面層出現(xiàn)了微裂紋。由此可以推測(cè)，膜層與基體之間具有比較接近的熱脹匹配。我們認(rèn)為對(duì)試樣處理過(guò)程中由于冶金結(jié)合而形成的的材料梯度過(guò)渡是形成膜層與基體之間具有比較接近的熱脹匹配的主要原因。（正航儀器整理）http://m.51reagent.cn
