KMS Lanzhou Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences
| 碳钢表面微弧氧化膜的可控制备及性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 杨文斌 | |
| Thesis Advisor | 刘维民 ; 梁军 |
| 2018-05-22 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| The second department | 先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Keyword | 碳钢 微弧氧化 生长机制 摩擦磨损 腐蚀 Carbon steel Plasma electrolytic oxidation Growth mechanism Wear and friction Corrosion |
| Abstract | 微弧氧化技术具有设备、操作、工艺简单，生产效率高，绿色环保无污染等优点，目前在铝、镁、钛及其合金等表面处理领域得到广泛应用。如今发现利用微弧氧化技术可以在低碳钢表面直接制备陶瓷涂层，但研究尚不够深入，关于各因素对低碳钢微弧氧化膜生长机制的影响尚不清楚。 微弧氧化膜的性能与其生长机制密切相关。因此，研究影响低碳钢微弧氧化膜生长机制的内在因素，以及探讨膜层的生长机制与其性能之间的相关性具有重要意义，可为低碳钢表面微弧氧化膜性能的改进提供一定的理论基础。 1.电解液是影响微弧氧化膜生长机制的关键因素之一。硅酸盐的浓度变化影响微弧氧化过程中阳极放电的形式，从而影响低碳钢基体氧化及电解液成分的沉积。当硅酸盐浓度为30g/L时，阳极表面由氧化膜击穿和气膜击穿引发的放电均衡发生，使基体的氧化与电解液的沉积均衡进行，造成膜层主要向内生长，同时也有一定程度的向外生长。膜层主要组成为O、Si、Fe，主要以Fe2O3、Fe3O4和SiO2的形式存在。膜层结构致密，结合力、耐磨性、耐蚀性较其它浓度均较好。然而，硅酸盐微弧氧化膜的耐磨耐蚀性仍然不够好，很难满足应用环境的苛刻要求。基体的氧化对结合力有利，但是对耐磨性、耐蚀性的进一步提高不利，因为基体氧化产生的铁氧化物既不耐磨又不耐腐蚀。另外硅酸盐微弧氧化膜内存在贯穿性残余放电通道，降低其耐腐蚀性。 利用硅酸盐/磷酸盐复合电解液制备的低碳钢微弧氧化膜，膜层生长速度非常快，短时间内可获得厚度较大的膜层。复合电解液微弧氧化膜的成分与硅酸盐微弧氧化膜没有根本差别，但Si元素含量降低，使耐磨性略差。由于其厚度较大，膜层内贯穿性的残余放电通道消失，使其能够更有效的阻挡腐蚀介质的渗入，因此其耐腐蚀性比硅酸盐微弧氧化膜好得多。 2.研究了铝酸盐微弧氧化膜的生长机制，并分析了膜层生长机制与性能之间的关系。铝酸盐微弧氧化膜表面微孔呈现自封闭的状态，结构致密，厚度均匀，内部缺陷较少。铝酸盐微弧氧化膜的生长机制以向外生长为主，基体氧化非常少，这导致其Al元素含量过半。Al元素主要以α-Al2O3的形式存在，因此膜层硬度很高（1600HV）。 铝酸盐微弧氧化膜摩擦系数较稳定，平均值明显低于基体，通过磨痕比较发现磨损率比基体要低得多。这是因为其结构致密，硬度大所致。 电化学实验和盐雾试验证明铝酸盐微弧氧化膜为低碳钢基体提供了良好的腐蚀防护作用，其腐蚀电流为3.0×10-6A/cm2，比基体的腐蚀电流密度降低了2个数量级。经300小时盐雾试验后，膜层表面依然没有出现明显的破坏。这主要是因为铝酸盐微弧氧化膜结构致密，微孔处于封闭状态，膜层内部缺陷较少；主要组成为氧化铝，其电导率很低，不参与电化学过程。 3.以硅酸盐电解液为基础电解液，分别研究了纳米Al、纳米Cu、纳米Al2O3颗粒的加入对膜层生长机制、结构组成及性能的影响。 当硅酸盐电解液中加入2g/L的纳米Al颗粒后，微弧氧化膜的表面微孔大多数被封闭，结构更加致密。膜层中Al含量达到了6.32%，且在膜层内分布较均匀。微弧氧化过程中纳米Al颗粒被完全氧化，并且以Al2O3的形式存在。由于纳米Al化学性质活泼，先于Fe被氧化，因此膜层中Fe含量明显降低，为13.12%，纳米Al的加入可以抑制基体的氧化。Al2O3耐磨耐蚀相的生成，使膜层耐磨性和耐蚀性均有提高，尤其耐蚀性提高幅度最大，腐蚀电流比未加纳米Al的膜层降低了1个数量级。 当电解液中加入1g/L纳米Cu颗粒时，氧化膜的表面微孔数量减少，尺寸增大，孔内填充了纳米颗粒，但其表面疏松颗粒较多，膜层内孔洞增多，膜与基体之间裂纹增加，结构更加疏松。从其表面分析Cu含量达到了4%左右，但只分布在表面浅层。纳米Cu在微弧氧化过程中只有很少一部分被氧化，大部分以Cu单质形式存在，这是因为Cu化学性质不如Fe活泼，微弧氧化过程中主要以基体的氧化为主，这就造成了加纳米Cu的膜层Fe含量没有降低。因此，加入纳米Cu后膜层耐磨性没有改善，耐蚀性反而变得稍差。 当电解液中加入3g/L纳米Al2O3时，膜层表面微孔一部分被封闭，结构比未加纳米Al2O3的要致密，但表面吸附了一些氧化物颗粒，影响表面质量。膜层内Al含量达到了12.16%，但主要分布在膜层疏松层内，尤其微孔周围含量最高，而致密层内较少；其次，膜层内Fe元素的含量仍然很高，说明纳米Al2O3的加入不会影响基体的氧化，因为纳米Al2O3主要以烧结的形式参与微弧氧化过程；最后，膜层的厚度均匀性变差。因此加入纳米Al2O3后膜层耐磨耐蚀性有改善，但不如纳米Al颗粒的加入改善明显。 综上，对于低碳钢表面硅酸盐微弧氧化膜，只有调整其生长过程，即调控基体的氧化程度并增加耐磨耐蚀相才能明显改善膜层的性能，而纳米Al颗粒就起到了抑制基体氧化，同时生成耐磨耐蚀相的作用。 |
| Other Abstract | 无 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/25277 |
| Collection | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 杨文斌. 碳钢表面微弧氧化膜的可控制备及性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2018. |
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