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、比強度和比剛度高、導電、導熱性能好，易加工成形等特性，在汽車工業(yè)、航空航天和軍工工業(yè)等領域具有廣闊的應用前景。然而其表面硬度低、摩擦磨損大和耐腐蝕性能差等缺點難以滿足應用高要求。多弧離子鍍具有靶材離化率高、繞鍍性好和結合力大等優(yōu)點，在現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硬質膜可以充分發(fā)揮硬質涂層和鋁合金結構件各自的優(yōu)良性能。 但是鋁的化學性質十分活潑，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)，嚴重阻礙了鍍層與基體的緊密結合。鋁的標準電極電位約為-1.67V，很容易失去電子，當它浸入電解液中能和多種金屬離子發(fā)生置換反應，在鋁表面形成接觸置換層，這層膜粗糙、疏松，與鋁基體的結合強度很差。同時鋁合金在酸堿溶液中很不穩(wěn)定，給電化學鍍膜造成麻煩和困難；再者鋁的膨脹系數(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，鍍層易脫落，這些都嚴重影響膜基之間的

3、結合力，影響實施硬質涂層表面沉積改性技術，需要經過特殊的預處理和加鍍過渡層。目前，浸鋅/各種鍍層是工業(yè)上鋁合金電鍍預處理應用最廣的方法，該方法簡單，結合力好。 本文采用了二次浸鋅預處理、化學預鍍鎳、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鍍Cr/CrNx調制周期膜。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、電子探針(EPMA)、顯微硬度儀等測試手段分析薄膜的成分、結構、形貌、顯微硬度、摩擦系數和陽極極化曲

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

5、Nx多層膜，其成分和性質呈現梯度分布，結構交替變化，減少膜基之間的應力，有利于提高鋁合金上CrNx涂層的結合力。 (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，對表面氮化物膜起強烈的支撐作用，表面顯微硬度達26GPa。 (3)磁過濾脈沖偏壓技術大大減少了大顆粒的數目和尺寸，表面質量較大幅度的改善，對削弱點蝕起到一定作用；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構，對腐蝕性能起到很好的阻隔作用；鎳磷層致密，對孔蝕有阻隔作用；同時多層膜的低應力和電化學性質的梯度變化，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