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)過程的特點(diǎn)有關(guān)，具體分析見本文的討論部分。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)間能量輸入過大使微熔區(qū)發(fā)生小范圍“飛濺”，而且過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)于重熔前后的沒有經(jīng)過此處理的試樣，而重熔后試樣的耐腐蝕性又好于未經(jīng)過重熔的試樣。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。孔內(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。孔內(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)微弧氧化試樣來說自然腐蝕電位較負(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，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，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。
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進(jìn)行檢測(cè)。
(1)空冷熱沖擊
與上述方法類似，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有發(fā)生任何變化。可以看出，一類裂紋產(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；另一類裂紋發(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，膜仍然沒有脫落的痕跡，只發(fā)現(xiàn)空冷熱沖擊試樣表面開始出現(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看，沒有發(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)試樣處理過程中由于冶金結(jié)合而形成的的材料梯度過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://www.yuqingzaixian.com
