(廣西師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，廣西桂林541004)
摘要:鑄造鋁合金是鋁合金家族中用途較廣的一種，耐腐蝕、耐磨性能較低是其缺點(diǎn)。表面改性是提高其耐腐蝕性能及耐磨性能的主要方法之一。綜述了近年來鑄造鋁合金中常用的表面改性方法如微弧氧化法、激光表面處理法、化學(xué)鍍-電鍍法以及陽極氧化法，并對(duì)不同的表面改性方法進(jìn)行了簡要的評(píng)述。
關(guān)鍵詞:鑄造鋁合金;耐腐蝕耐磨性;表面改性
中圖分類號(hào):TG146．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-3849(2011)09-0013-04
引言
近年來，隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展以及世界能源問題的日益突出，汽車越來越朝著輕量化的方向發(fā)展。由于鋁具密度小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用在汽車工業(yè)上。鑄造鋁合金比純鋁有較高的力學(xué)性能與工藝性能，因此，其廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車底盤及汽車輪轂等部件上。然而，鑄造鋁合金耐腐蝕耐磨性能較低，特別是Al-Si合金和Al-Cu合金，限制了其更廣泛的應(yīng)用。因此，通過表面改性來克服鑄造鋁合金耐磨耐腐蝕性較低的缺點(diǎn)，以拓展鑄造鋁合金應(yīng)用發(fā)展。目前，為改善鑄造鋁合金耐腐蝕耐磨性能而采用的表面改性方法主要有:微弧氧化法、激光表面處理法、化學(xué)鍍、電鍍法以及陽極氧化法。
1·鑄造鋁合金表面改性主要方法
1．1 微弧氧化法
微弧氧化是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的一門表面改性技術(shù)。它是利用弧光放電增強(qiáng)并激活在陽極上發(fā)生的微等離子氧化反應(yīng)，從而在以鋁、鈦、鎂等金屬及其合金為材料的工件表面原位生成優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化陶瓷膜。在鋁合金上，通過微弧氧化生成的氧化膜由外部疏松狀的γ-Al2O3和內(nèi)部致密的α-Al2O3組成。在微弧氧化過程中，電流密度、電解質(zhì)成分以及鋁合金中的合金元素均對(duì)氧化膜的質(zhì)量及生長速度產(chǎn)生重要的影響。在氧化過程中，陰極和陽極都有氣體放出，并且伴隨著氧化膜的生長過程，因此，電極的電流密度強(qiáng)烈地影響著氧化膜的組成、結(jié)構(gòu)，也影響著鋁合金的耐腐蝕性能。研究表明，在比較高的陽極電流密度下，氧化膜主要包含α-Al2O3，而在較低的陽極電流密度下，氧化膜幾乎都是γ-Al2O3。JuhiBaxi的研究表明，隨著電流密度的增加鋁合金的耐磨性卻相應(yīng)降低。微弧氧化的電解質(zhì)對(duì)氧化膜的質(zhì)量有重要的影響，傳統(tǒng)的電解質(zhì)為硅酸鹽或鋁酸鹽，Polat認(rèn)為低濃度的硅酸鈉可得到較高硬度的陶瓷膜。而Zheng則認(rèn)為鎢酸鹽比硅酸鹽更加穩(wěn)定。電解質(zhì)中添加稀土元素也對(duì)微弧氧化的成膜速度產(chǎn)生重要的影響，隨著Ce(Ⅲ)濃度的增加成膜速度先增加后降低。氧化電解質(zhì)中添加氟離子會(huì)降低微弧氧化膜的孔隙率，提高氧化膜的抗腐蝕性能。添加Na3AlF6和酒石酸鈉則提高了陶瓷膜的硬度。
1．2 激光處理法
1．2．1 表面合金化
一般來說，由于鋁合金本身的特點(diǎn)耐磨性都不是很高，就是硬度較高的高硅鋁合金也不具有較高的承載能力，因此，表面強(qiáng)化以提高其耐磨性成為拓展鋁合金尤其是鑄鋁應(yīng)用的一種常用方法，而激光表面合金化可以在鋁合金基體和外加的金屬或合金間形成金屬間化合物，能大幅度提高鋁合金的硬度，進(jìn)而增加其耐磨性，從一定程度上也能提高其耐腐蝕性能。
應(yīng)用快速激光合金化技術(shù)可以按照需要在鋁合金表面加入合金元素、在改性層內(nèi)產(chǎn)生期望的強(qiáng)化相，從而提高材料的硬度，提高耐磨性能。激光合金可提高涂層的顯微硬度到900HV左右，經(jīng)過激光合金化后鋁合金的抗腐蝕性能提高1倍以上。然而，激光合金化容易過度重熔，特別是在激光功率低、掃描速度小、預(yù)涂層厚度大的情況下，容易使涂層產(chǎn)生氣孔缺陷。目前防止的辦法是采用加大重疊量或采用兩次激光處理，這樣就增加了涂層的成本。
1．2．2 表面熔覆
激光熔覆是改善鋁合金表面性能的重要手段。在激光快速加熱和冷卻的條件下，可得到高硬度和高耐磨的涂層。如在ZL104鋁合金表面激光熔覆Cu基合金、在AA6063合金表面激光熔覆Al3Ti合金，都能得到表面具有硬質(zhì)顆粒的涂層，涂層的硬度達(dá)500HV以上。然而，激光熔覆涂層存在氣孔，容易成為裂縫萌生和擴(kuò)展的聚集地，加上激光熔覆技術(shù)對(duì)儀器的依賴性限制了其更廣泛的應(yīng)用。近年來，激光熔覆和其它先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，使激光熔覆技術(shù)在對(duì)鑄鋁表面改性上更引人矚目。
如激光熔覆和納米陶瓷技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了激光熔覆表面納米陶瓷化技術(shù)。眾所周知，陶瓷具有較高的耐腐蝕性能，而納米陶瓷在強(qiáng)度、韌度以及抗腐蝕性能方面均比傳統(tǒng)的陶瓷有顯著的提高。利用激光熔覆技術(shù)在鑄鋁表面生成納米SiC、WC硬質(zhì)合金陶瓷、納米Al2O3陶瓷，得到的納米陶瓷涂層在硬度、耐磨性及抗腐蝕方面均比傳統(tǒng)的陶瓷技術(shù)得到的涂層有質(zhì)的飛躍。近來，德國的Sebastian Müller應(yīng)用激光熔覆的方法在壓鑄模具表面生成一種功能梯度材料來提高模具的壽命。雖然，由于激光熔覆速度的限制，能處理的區(qū)域很小，但是通過這種技術(shù)得到的表面孔隙率低且沒有裂縫，成本較低，因此其應(yīng)用在鋁合金表面改性上值得關(guān)注。
1．3 化學(xué)鍍及電鍍法
1．3．1 化學(xué)鍍法
化學(xué)鍍是利用合適的還原劑使溶液中金屬離子有選擇地在經(jīng)催化劑活化的表面上還原析出金屬鍍層的一種化學(xué)處理方法?；瘜W(xué)鍍不需要電源，不存在電力線分布不均勻的影響，鍍層致密以及孔隙率少的優(yōu)點(diǎn)，因此，化學(xué)鍍被廣泛應(yīng)用在金屬以及非金屬的表面改性中。在鑄造鋁合金的化學(xué)鍍中，Ni-P合金是研究最多的一種。在LM24(Al-9%Si)的鋁合金表面進(jìn)行Ni-P化學(xué)鍍，明顯提高鋁合金的硬度和耐磨性能。在Ni-P合金中添加強(qiáng)化顆粒ZrO2、Al2O3和TiO2可大幅度提高鋁合金的硬度。在6061鋁合金表面鍍上Ni-P-Al2O3后，維氏硬度可由66HV提高到1400HV，經(jīng)400℃熱處理1h后，其耐磨性能比6061鋁合金基體提高了5倍。因?yàn)镹i-B合金密度和Ni-P相近，而且其初晶溫度比Ni-P合金初晶溫度要高得多，因此也有研究者對(duì)鑄造鋁合金基體上化學(xué)鍍Ni-B合金進(jìn)行研究。值得注意的是，實(shí)施化學(xué)鍍后，對(duì)樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚磉€可進(jìn)一步提高表面硬度和耐磨性能。
1．3．2 電鍍法
電鍍是一種傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，然而在鋁合金特別是鑄造鋁合金上進(jìn)行電鍍存在一定的困難，主要原因?yàn)?鋁較活潑，表面易生成氧化鋁膜;鋁的標(biāo)準(zhǔn)電位較負(fù)，在溶液中容易與其它金屬置換形成疏松的置換層;鋁是兩性金屬，沒有合適的直接電鍍電解液;鑄造鋁合金表面常伴有砂眼等缺陷，在電鍍過程中易滯滲電解液和氣體，容易出現(xiàn)嚴(yán)重針孔，引起局部黑斑，表面殘留的砂眼、氣孔會(huì)吸藏氫氣，容易鼓泡;鋁與其它金屬膨脹系數(shù)相差較大。
針對(duì)鑄造鋁合金存在的上述特點(diǎn)，一般是在鑄鋁基體上涂覆一層與基體結(jié)合牢固的底層或中間層，然后才能實(shí)施電鍍。對(duì)于鋁合金特別是鑄造鋁合金，一般以鎳基氧化物或金屬間化合物來強(qiáng)化、改性鑄造鋁合金較多。如在對(duì)高硅鋁合金［w(Al)為10%～13%］進(jìn)行電鍍鎳，在進(jìn)行常規(guī)的表面處理后，再在上面實(shí)施一次到兩次的浸鋅處理，為了改善浸鋅層結(jié)合力不高的弊端，還可在浸鋅溶液中加入鎳、銅、鐵離子及其它添加劑，以提高浸鋅層的結(jié)合力。在2014鋁合金表面通過Ni基電沉積形成金屬間化合物，可大幅提高鋁合金基體的硬度。電鍍鉻是一個(gè)傳統(tǒng)的鍍種，它已廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，雖然鉻有一定的毒性，然而由于電鍍鉻有優(yōu)異的防腐性能，而且隨著三價(jià)鉻等毒性低的電鍍鉻工藝的研究發(fā)展，把電鍍鉻應(yīng)用在鑄鋁電鍍上以提高鑄鋁的防腐性能也是一個(gè)亟待研究發(fā)展的方向，在鑄造鋁合金表面電鍍含稀土元素的鍍層也能提高鋁合金基體的抗腐蝕性能。
1．4 陽極氧化法
對(duì)含硅、銅及鎂的鑄造鋁合金進(jìn)行陽極氧化存在一定的難度。如含銅的鑄鋁陽極氧化時(shí)銅會(huì)在鋁合金表面優(yōu)先溶解形成孔洞，因而在氧化膜表面產(chǎn)生嚴(yán)重的針孔。由于含硅量高的鋁合金容易形成偏析，硅為半導(dǎo)體，易導(dǎo)致成膜困難且均勻性差，氧化膜局部被擊穿等。而且高硅鋁合金中硅難于被氧化，它以單質(zhì)的形式鑲嵌在陽極氧化膜內(nèi)，對(duì)氧化膜的生成不利。此外，鑄造鋁合金表面有細(xì)小的孔隙，這些孔隙的存在使得陽極氧化時(shí)表面產(chǎn)生不均勻的電流密度，致使成膜質(zhì)量降低。因此，對(duì)鑄造鋁合金主要采取硬質(zhì)陽極氧化的技術(shù)、脈沖硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)等。
2·結(jié)束語
鋁合金是極其重要的、與國民經(jīng)濟(jì)密切聯(lián)系的原材料。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，包括鑄鋁在內(nèi)的鋁合金將會(huì)在國民經(jīng)濟(jì)中占有著越來越重要的地位。鑒于此，應(yīng)繼續(xù)著力對(duì)鑄造鋁合金的表面耐磨性能、抗腐蝕性能進(jìn)行研究，從新技術(shù)、新工藝如表面納米強(qiáng)化、表面復(fù)合物強(qiáng)化方面對(duì)鑄造鋁合金進(jìn)行改性，才能使鑄造鋁合金的應(yīng)用提高到一個(gè)新的高度。
