2024鋁合金表面電弧鍍CrN-,x-多層膜的研究.pdf

1、2024鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，易加工成形等特性，在汽車工業(yè)、航空航天和軍工工業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而其表面硬度低、摩擦磨損大和耐腐蝕性能差等缺點(diǎn)難以滿足應(yīng)用高要求。多弧離子鍍具有靶材離化率高、繞鍍性好和結(jié)合力大等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代材料表面改性工藝中占有重要的地位，在2024鋁合金表面鍍CrNx硬質(zhì)膜可以充分發(fā)揮硬質(zhì)涂層和鋁合金結(jié)構(gòu)件各自的優(yōu)良性能。 但是鋁的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在其表面易于形成一層

2、硬而脆的陶瓷相氧化鋁薄膜(20～30A)，嚴(yán)重阻礙了鍍層與基體的緊密結(jié)合。鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位約為-1.67V，很容易失去電子，當(dāng)它浸入電解液中能和多種金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)，在鋁表面形成接觸置換層，這層膜粗糙、疏松，與鋁基體的結(jié)合強(qiáng)度很差。同時(shí)鋁合金在酸堿溶液中很不穩(wěn)定，給電化學(xué)鍍膜造成麻煩和困難；再者鋁的膨脹系數(shù)(22.9*10-6/K)與CrN涂層(9.4*10-6/K)相差很大，環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，鍍層易脫落，這些都嚴(yán)重影響膜基之間的

3、結(jié)合力，影響實(shí)施硬質(zhì)涂層表面沉積改性技術(shù)，需要經(jīng)過特殊的預(yù)處理和加鍍過渡層。目前，浸鋅/各種鍍層是工業(yè)上鋁合金電鍍預(yù)處理應(yīng)用最廣的方法，該方法簡(jiǎn)單，結(jié)合力好。 本文采用了二次浸鋅預(yù)處理、化學(xué)預(yù)鍍鎳、電鍍銅作為中間過渡層，再利用磁過濾脈沖電弧離子鍍技術(shù)鍍Cr/CrNx調(diào)制周期膜。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、電子探針(EPMA)、顯微硬度儀等測(cè)試手段分析薄膜的成分、結(jié)構(gòu)、形貌、顯微硬度、摩擦系數(shù)和陽極極化曲

4、線等特性；結(jié)合熱震法和劃痕法測(cè)試薄膜的結(jié)合力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： (1)采用二次浸鋅預(yù)處理，然后化學(xué)鍍鎳的前處理技術(shù)，有效解決了鋁合金表面的氧化鋁薄膜的結(jié)合力差的難題，從而將難鍍基材轉(zhuǎn)化為易鍍基材。選擇薄銅層來作為Ni-P鍍層和Cr/CrNx層間的粘結(jié)層，緩和應(yīng)力。先堿性化學(xué)預(yù)鍍鎳，再采用酸性化學(xué)鍍鎳的二步化學(xué)鍍鎳技術(shù)能夠有效避免鋅對(duì)酸性鍍鎳液的毒化作用，同時(shí)也起到鎳磷層中磷含量的一個(gè)成分梯度分布。形成的Zn/Ni/Cu/Cr/Cr

5、Nx多層膜，其成分和性質(zhì)呈現(xiàn)梯度分布，結(jié)構(gòu)交替變化，減少膜基之間的應(yīng)力，有利于提高鋁合金上CrNx涂層的結(jié)合力。 (2)磁過濾脈沖偏壓電弧離子鍍Cr/CrNx膜表面光滑致密，主要由Cr、CrN和Cr2N組成，以CrN(220)為擇優(yōu)取向。鎳磷過渡層硬度高，對(duì)表面氮化物膜起強(qiáng)烈的支撐作用，表面顯微硬度達(dá)26GPa。 (3)磁過濾脈沖偏壓技術(shù)大大減少了大顆粒的數(shù)目和尺寸，表面質(zhì)量較大幅度的改善，對(duì)削弱點(diǎn)蝕起到一定作用；交替分

6、布的韌性金屬Cr層和CrNx層界面，能夠打斷離子鍍過程中容易形成的柱狀結(jié)構(gòu)，對(duì)腐蝕性能起到很好的阻隔作用；鎳磷層致密，對(duì)孔蝕有阻隔作用；同時(shí)多層膜的低應(yīng)力和電化學(xué)性質(zhì)的梯度變化，也大大削弱了膜層之間的相位腐蝕速率，電極電位逐漸變正，表面自腐蝕電位正移了400mV，這些都大大提高了2024鋁合金的耐腐蝕性能。 (4)多層膜的摩擦系數(shù)為0.40，耐磨性能良好，主要得力于氮化鉻的良好性能和鎳磷層的硬度支撐作用。 (5)采用熱震