[发明专利]2XXX铝及铝合金表面高耐磨自润滑微弧氧化膜层的制备方法

说明书

本发明涉及一种2XXX铝及铝合金表面高耐磨自润滑微弧氧化膜层的制备方法。该方法包括直流富铜钝化膜层的制备和交流α‑Al₂O₃自润滑致密膜层的烧结。直流富铜钝化膜层的制备，所用的电解液为乙二酸钠、铜络合剂、水玻璃等溶液；交流α‑Al₂O₃自润滑致密膜层的烧结在含有机燃烧剂的电解液体系中进行的，其中葡萄糖酸钾(钠)为主盐，硼酸钾(钠)为添加剂、酒石酸为燃烧剂，硅酸钠和氢氧化钠为稳定剂，二硫化钼和石墨等为自润滑颗粒。燃烧剂的加入使得微弧氧化膜自身实现高温相转化，并可以与自润滑颗粒充分烧结。所得α‑Al₂O₃自润滑致密膜层，具有较厚的致密层，硬度和耐磨性较高，与基体结合牢固。本发明可实现自动化控制，具有操作简单、设备低廉及环境友好等优点。

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种2XXX铝及铝合金表面高耐磨自润滑微弧氧化膜层的制备方法。

背景技术

Al-Cu-Mg（2XXX系）铝合金属于航空铝材，它是一种耐热硬铝。其特点是在常温下强度并不太高，而在高温下却有较高的蠕变强度。合金在热态下有强度的塑性，无挤压效应，可处理强化。点焊、滚焊等焊接性能良好，形成裂纹的倾向不太显著，焊缝气密性和可切削性能较好。

虽然，铝合金在轻量化上具有很大的优势，但由于铝合金本身硬度低、耐磨性和耐腐蚀性差，对于高摩擦的应用领域，必须对铝合金表面进行改性处理。现有通行的铝合金表面处理为硬质阳极氧化处理，可以获得约360HV的表面硬度，起到了表面改性作用，但硬质阳极氧化硬度不高，造成耐磨性不够，影响产品的最终使用寿命。而据文献报到，铝合金微弧氧化可以获得超过1000HV的表面硬度，且氧化层十分致密，经过验证，可显著提高相关铝合金产品的耐磨性和耐腐蚀等综合性能。

铝合金微弧氧化技术是通过电解液中高压放电作用，使铝合金表面形成一层以α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃为主的硬质陶瓷层，其厚度超过阳极氧化，硬度优于电镀，且前后处理简单，是一种很有发展前途的表面处理工艺，已引起国内学术界的普遍重视。

利用微弧氧化技术提高铝基体耐磨性和减磨性方面，国内多家科研机构已开展大量的研究。其中，在耐磨性方面，哈尔滨工业大学和金属所的研究处于领先水平，哈工大姜兆华采用NaAlO₂-K₂ZrF₆体系，在铝合金表面制备的微弧氧化膜层，其磨损率为4.33×10^-6g/min，摩擦系数最小降到0.214。而金属研究所利用阴极化载波脉冲技术在铝合金表面形成单致密微弧氧化膜层，其磨损量降到2.5×10^-6g/min，而摩擦系数达到0.2以下。在减磨方面，国内主要利用喷涂、浸涂或气相沉积的方法，在微弧氧化膜表面形成一层固体润滑薄膜可以达到减摩效果。如Y.M. Wang等人在微弧氧化膜层表面喷涂了一层石墨，其摩擦系数降到了 0.12，是原来的1/5。但是这些方法在有的工艺上较复杂，有的成本较高，并且其减摩层一旦磨穿，就会产生润滑失效。因此，如何通过在电解液中加入固体润滑剂，采用微弧氧化一步制备出含固体润滑颗粒的自润滑耐磨复合膜层，成为铝合金微弧氧化一个重要的研究方向。近十年来本课题组一直从事轻合金表面微弧氧化新技术的研究工作。目前，通过开发多步骤控制的含有燃烧剂的络合电解液体系，实现铝合金表面单致密层/高α-Al₂O₃含量的自润滑微弧氧化复合涂层制备，大幅度降低涂层的孔隙率并提高其均匀性，从而实现其表面的高耐蚀性和耐磨性。

发明内容