鋁合金機械臂的表面改性與耐磨性能研究*

楊巍巍 鄭東旭 梁建國

(1江蘇食品藥品職業技術學院智能制造學院 江蘇淮安 223005；2湖南有色金屬職業技術學院機電工程系 湖南株洲 412006；3太原理工大學機械工程學院 山西太原 030000)

隨著近年來機器人技術的快速發展和應用，機械臂作為機器人領域不可缺少的重要組成部分而倍受關注。其中，鋁合金、鎂合金、合金鋼和經過熱處理的優質鋼等都是制作機械臂的原材料，且鑄造鋁合金材質的機械臂由于具有質量輕、比強度高以及運動便捷性好等優點而成為了機械臂的首選[1]。然而，較低的耐磨性能和耐腐蝕性能等在很大程度上抑制了鋁合金機械臂的應用。因此，文章擬采用微弧氧化的方法在高硅含量的鑄造Al-Si-Cu合金機械臂表面制備出高耐磨的膜層，并探討電參數對膜層微觀結構、物相組成和耐磨性能的影響規律。

1材料與方法

試驗基材為鋁合金機械臂用鑄造Al-Si-Cu合金，化學成分(質量分數，%)為：10.80 Si、2.31 Cu、0.22 Mg、0.73 Zn、0.08 Fe、0.24 Mn，余量為Al。

采用線切割方法將被測試樣加工成40mm×30mm×3mm，樣品經過打磨、清水沖洗和酒精超聲處理后吹干，采用MAO500雙向脈沖微弧氧化電源對被測試樣進行表面微弧氧化處理，被測試樣為陽極、不銹鋼電解槽為陰極，電解液配方為：5g/LNa2SiO3、5g/L (NaPO3)6、3g/L Na2WO4·2H2O，采用循環水冷卻系統保證電解液溫度保持在30℃以下，微弧氧化時間統一為30min。電源參數分別設定為占空比：20～50%(電流密度為10A/dm2、頻率600Hz)，電流密度：5～20A/dm2(占空比50%、頻率600Hz)，頻率：200～1000Hz(電流密度為10A/dm2、占空比50%)。

采用FDL600型多功能高精度數字式覆層測厚儀，分別測試微弧氧化膜層10個不同位置的厚度并取平均值作為測試結果；采用TR201手持式表面粗糙度儀對表面膜層粗糙度(Ra)進行測試；采用日立S-4800型鎢燈絲掃描電子顯微鏡對膜層表面形貌進行觀察；采用荷蘭Empyrean銳影X射線衍射儀對膜層物相進行分析，角度為30～80°；采用MPX2000A 盤銷式摩擦磨損試驗機對膜層進行室溫常壓狀態下摩擦系數和磨損失重測試，對磨材料為YG6硬質合金(Φ60mm×10mm，HRA90)，滑動距離為500m，滑動速率為1m/s，載荷為20N，并采用HZT-A500電子天平對磨損失重進行測試。

2結果與分析

圖1為不同電參數下Al-Si-Cu合金微弧氧化膜層的厚度與粗糙度測試結果。

(a)占空比

圖1顯示，在電流密度和頻率一定條件下，隨著占空比的增加，表面膜層的粗糙度和膜層厚度都表現為逐漸增加的趨勢，這主要是因為在其它電參數一定條件下，占空比的增加會延長電流在基體表面作用的時間，使得膜層導電通道延長，熔融物沿放電通道的噴出速率增加，從而提高膜層生長速率，整體膜層厚度會有所增大，但是占空比的增加會使得膜層放電更加劇烈而造成表面粗糙度增加，占空比為50%時的膜層粗糙度仍然小于0.6。在占空比和頻率一定條件下，隨著電流密度的增加，表面膜層的粗糙度和膜層厚度都表現為逐漸增加的趨勢，這主要是由于電流密度的增加會提高微弧氧化放電強度和熔融氧化物的生成速率，膜層厚度相應增加，而較高的電流密度同時會降低膜層的致密性，擊穿膜層表面的孔隙越大、熔融氧化物堆積愈發明顯[2]，粗糙度隨之增大；在占空比和電流密度一定條件下，隨著頻率的增加，表面膜層的粗糙度和膜層厚度都表現為逐漸降低的趨勢，這主要是由于頻率的增大會降低單個脈沖的持續時間，膜層在表面積累會更加困難，且表面積累的熔融氧化物數量會減少從而造成膜層厚度減小、粗糙度降低。

圖2為不同電參數下Al-Si-Cu合金微弧氧化膜層的厚度與粗糙度測試結果。

(a)占空比

圖2顯示，在電流密度和頻率一定條件下，不同占空比下膜層的物相組成都為單質Al、γ-Al2O3和ɑ-Al2O3，但是對比分析可見，占空比的增加會使得ɑ-Al2O3衍射峰逐漸增強，而基體Al衍射峰逐漸減弱，這主要是由于占空比的增加造成膜層厚度加大。此外，γ-Al2O3還會向ɑ-Al2O3發生部分轉變。在占空比和頻率一定條件下，不同電流密度下膜層的物相組成與不同占空比的膜層相似，且在較低的電流密度下(5和10A/dm2)，ɑ-Al2O3衍射峰相對較弱，而增加電流密度至15A/dm2以上時，ɑ-Al2O3衍射峰逐漸增強。不同電流密度下物相衍射峰強度的變化與膜層厚度有關，較大的電流密度下得到的膜層會相對較厚，因此，ɑ-Al2O3衍射峰強度會更高。在電流密度和占空比一定條件下，不同頻率下膜層的物相組成沒有發生改變，且隨著頻率增加，ɑ-Al2O3衍射峰強度減弱，這主要是由于頻率的增加會加大熔融物噴射到表面的難度，膜層厚度相對更低，且單脈沖放電能量的降低會降低放電區溫度而不利于γ-Al2O3向ɑ-Al2O3發生轉變[3]。

圖3為電流密度和頻率不變條件下，改變占空比得到的膜層的顯微形貌。

圖3 不同占空比下膜層的顯微形貌

圖3顯示，當占空比為20～50%時，表面膜層都較為平整，局部可見細小的熔融堆積物。對比分析可見，類圓形的熔融堆積物有隨著占空比增加而不斷增大的特征，且火山口狀噴射熔融物有所增多，造成膜層粗糙度增加。此外，表面膜層中還可見細小的氣孔，這主要是由于熔融物在熔化和凝固過程中積聚的氣體逸出所形成[4]。

圖4為占空比和頻率不變條件下，改變電流密度得到的膜層的顯微形貌。

圖4 不同電流密度下膜層的顯微形貌

圖4顯示，在較低的電流密度下(5A/dm2)，膜層較為平整，當電流密度增加至10A/dm2以上時，膜層表面熔融堆積物增多，但是膜層仍然較為平整；尤其是當電流密度增加至15A/dm2以上時，膜層表面可見明顯微小氣孔和火山口狀熔融噴射物，這主要是由于電流密度的增加而提高局部放熱并伴隨有多次放電，膜層較厚而致密性相對較差[5]。

圖5為占空比和電流密度不變條件下，改變頻率得到的膜層的顯微形貌。

圖5顯示，當頻率在200Hz時，膜層表面噴射狀熔融堆積物較多，并發現顆粒狀物質以及放電細孔的存在，表面粗糙度較差；當頻率增加至600Hz時，表面熔融堆積物含量和放電細孔數量都有所減少，膜層愈發平整和均勻；繼續增加頻率至800Hz以上時，膜層表面都較為平整，且表面熔融堆積物和放電細孔都明顯減少。結合前述的表面膜層厚度、粗糙度和物相分析測試結果，優化出鋁合金機械臂表面微弧氧化電參數為：占空比50%、電流密度10A/dm2、頻率為600Hz，此時膜層平整、均勻、致密，厚度適中且粗糙度較低，預期具有良好的耐腐蝕性能和耐磨性能[6]。

鋁合金基體和不同電參數下微弧氧化膜層的摩擦系數曲線如圖6。

(a)占空比

圖6顯示，對比分析可見，不同電參數下微弧氧化膜層的摩擦系數都要小于鋁合金基體，且隨著滑動距離增加，鋁合金基體的摩擦系數波動幅度較大，但基本都保持在0.8附近。在電流密度和頻率不變，占空比為20%時，摩擦系數隨著滑動距離增加而呈現逐漸上升的趨勢，而當占空比增加至50%時，摩擦系數基本穩定在0.2左右，這主要是由于占空比為20%時的微弧氧化膜層表面的熔融堆積物會與摩擦副發生磨粒磨損而造成膜層剝落[7]，而占空比為50%時的膜層致密性和硬度較高，在摩擦過程中不會發生剝落而具有較優的耐磨性能；在占空比為頻率不變條件下，電流密度為20A/dm2時的摩擦曲線與圖6(a)的占空比為20%膜層的摩擦曲線相似，而電流密度為10A/dm2時的摩擦系數較為穩定且保持在最低水平；在占空比和電流密度不變時，頻率為1000Hz時的摩擦系數介于基體和頻率為600Hz時的膜層之間，且隨著滑動距離增加，摩擦系數呈現先增加而后趨于穩定的特征，這主要是由于滑動初期，膜層表面熔融堆積物并不會完全脫落且膜層與摩擦副之間的磨粒較少，而隨著滑動距離增加，在剝落和磨粒磨損雙重作用下會加劇膜層的磨損[8]，此時摩擦系數會增大，而后期磨損趨于穩定。

表1為鋁合金基材和不同電參數下膜層的磨損失重測試結果。對比分析可見，基材和膜層磨損失重測試結果與不同電參數下基體與膜層的摩擦系數隨著滑動距離的變化曲線測試結果保持一致，即在相同電流密度與頻率條件下，基體與膜層的耐磨性能從高至低為：占空比50%膜層>占空比20%膜層>基體；在相同占空比和頻率條件下，基體與膜層的耐磨性能從高至低為：電流密度10A/dm2膜層>電流密度20A/dm2膜層>基體；在相同占空比和電流密度條件下，基體與膜層的耐磨性能從高至低為：頻率600Hz膜層>頻率1000Hz膜層>基體。整體而言，占空比50%、電流密度10A/dm2、頻率為600Hz時膜層具有最佳的耐磨性能，這主要與膜層的致密性、物相組成和微觀結構等有關[8-9]。

表1 基材和膜層的磨損失重測試結果

3結論

(1)在電流密度和頻率一定條件下，隨著占空比的增加，表面膜層的粗糙度和膜層厚度都表現為逐漸增加的趨勢；在占空比和頻率一定條件下，隨著電流密度的增加，表面膜層的粗糙度和膜層厚度都表現為逐漸增加的趨勢；在占空比和電流密度一定條件下，隨著頻率的增加，表面膜層的粗糙度和膜層厚度都表現為逐漸降低的趨勢。

(2)不同電參數下膜層的物相組成都為單質Al、γ-Al2O3和ɑ-Al2O3；隨著占空比和電流密度的增加，γ-Al2O3還會向ɑ-Al2O3發生轉變，ɑ-Al2O3衍射峰強度會更高，而隨著頻率增加，ɑ-Al2O3衍射峰強度減弱。

(3)優化出鋁合金機械臂表面微弧氧化電參數為占空比50%、電流密度10A/dm2、頻率為600Hz；在相同電流密度與頻率條件下，基體與膜層的耐磨性能從高至低為：占空比50%膜層>占空比20%膜層>基體；在相同占空比和頻率條件下，基體與膜層的耐磨性能從高至低為：電流密度10A/dm2膜層>電流密度20A/dm2膜層>基體；在相同占空比和電流密度條件下，基體與膜層的耐磨性能從高至低為：頻率600Hz膜層>頻率1000Hz膜層>基體。