铝合金表面微弧氧化技术的应用及发展

铝合金表面微弧氧化技术的应用及发展

作者：张彦涛

来源：《环球市场信息导报》2013年第06期

微弧氧化是一种在金属表面原位生长陶瓷膜的表面处理技术，可大幅提高铝合金表面耐磨性及耐蚀性。本文阐述了铝合金微弧氧化技术的特点及应用概况，以及微弧氧化技术的发展趋势。

微弧氧化技术又称微等离子体氧化、火花放电阳极氧化。它是将铝，镁，钛等有色金属及其合金，在适当的电参数条件下使其与电解液中的溶质发生反应，最终在金属表面生成了具有一定厚度的陶瓷膜。利用该技术在铝及其合金上生长一层Al2O3陶瓷膜，该陶瓷膜具有良好的耐磨、耐蚀性，而且可通过改变电参数和电解液等得到不同性能、不同颜色的陶瓷膜。

铝合金微弧氧化过程

微弧氧化过程中具有等离子体放电通道的高温高压及电解液温度低的特点，在此极限条件下的反应过程可赋予陶瓷膜层其它技术难以获得的优异的耐磨、耐腐蚀等性能，同时使铝合金基体的保持原有性能。液相中参与反应并形成陶瓷膜的粒子在电场力的作用下传输到基体附近的空间参与成膜，陶瓷膜层的厚度、组成、结构可以通过电源电参数和改变电解液组成进行控制，从而实现陶瓷膜层的设计与构造。微弧氧化过程一般可以分为以下四个阶段：

普通阳极氧化阶段：在氧化初期，样品表面颜色变暗，形成一层较在电流密度恒定的条件下，电压迅速升高。该阶段形成的阻挡层是后续阶段产生火花放电的必要条件。

微弧氧化阶段：随着电压的不断升高，在氧化膜层的相对薄弱的地方将会被击穿，在样品表面能够观察到火花放电现象。这些火花较小，但密度很大（约为105个/cm2），它在样品表面形成了大量的等离子微区。这些熔融物与电解液发生反应，并被溶液冷却形成Al2O3，从而使这一区域的膜相应地增厚。

微弧氧化和弧放电共存阶段：该阶段样品表面开始出现较大的红色放电弧斑，它是由某些部位经过多次放电后，使得原来较小的放电通道彼此相连而形成较大的放电气孔。在这一阶段可以观察到电压缓慢下降。

弧放电阶段至反应结束随着薄膜的增厚，红色放电弧斑逐渐减少，电压迅速上升。最终在样品表面形成具有内部致密层和外部疏松层的双层结构。

铝合金微弧氧化技术特点

微弧氧化是在传统阳极氧化基础上发展而来的，但与阳极氧化相比较，具有其优越的特点：

微弧氧化电解溶液以碱性电解液为主，环境污染小，而阳极氧化为酸性电解液，环境污染大；在基体表面原位生长陶瓷膜，陶瓷膜致密均匀，膜层与基体结合强度高，而阳极氧化膜层比较脆，柔韧性差；良好的耐磨损性，耐热性及抗腐蚀性，一般不需要后处理化学封孔，而阳极氧化膜层耐磨性、耐蚀性较差。良好的绝缘性能，电阻可达100M ；能大幅度提高铝合金材料的表面硬度，显微硬度一般在100～2000HV的范围内，最高可达3000HV，阳极氧化的最大硬度仅为500HV；通过改变工艺条件和电解液组分或添加胶体微粒等可实现陶瓷膜层的功能化，调整膜层的微观结构及膜层厚度。

总之，微弧氧化技术属于环境友好型技术，工艺简便，受工件形状影响比较小，与电镀、阳极氧化等表面改性技术相比，具有工序简单、效率高、生成的膜层性能良好等优点。

铝合金微弧氧化技术应用现状

20世纪70年代，俄、美、日等世界发达国家在微弧氧化成膜性能、产业化应用等方面投入了大量的研究工作。我国研究微弧氧化技术开始从于20世纪90年代，研究起步较晚，同时微弧氧化主要集中在实验过程上，理论研究相对滞后。近年来相关科研院所通过深入研究微弧氧化技术，进一步扩大其应用领域。主要研究机构为北京师范大学低能核物理研究所，对铝合金微弧氧化陶瓷层的制备过程、能量交换、膜的形貌结构以及应用等都进行了有益的探索，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院采用等离子增强电化学表面处理技术（PECC）对铝合金表面陶瓷化处理，研究陶瓷膜层成膜过程和成膜机制，哈尔滨三利亚有限公司由试验阶段开始转向小批量生产，还有北京航空材料研究院、西安理工大学、湖南大学、北京矿冶研究总院等单位参与此技术的研究。

近年来在铝、钛及镁合金微弧氧化的应用开发方面有很大的进步，如蒋百灵等对铝、镁合金微弧氧化设备及工艺技术的研究开发，并在许多领域有所应用。例如一汽红旗世纪星轿车发动机壳体、镁合金高压热水交换管、镁合金轮毂、铝合金微型冲锋枪托架、铝合金发动机缸体、柴油发动机活塞的表面处理均采用微弧氧化技术进行生产，其成本只有硬质阳极氧化和电镀硬铬的1/3～1/4。深圳法兰士公司的超硬铝构件、深圳佳驰油泵盖以及某显微镜公司的载物小平台也在使用国产设备进行微弧氧化，产品的耐磨性能较硬质阳极氧化膜提高了35%，并已经开始批量化生产。相关企业都在积极地推广或应用微弧氧化技术。

微弧氧化技术的发展趋势

将微弧氧化技术应用在铝合金表面改性中，可制备出高硬度、高结合强度的陶瓷膜层，能使铝合金原有的耐磨性差的问题得到大幅度提高，可解决铝合金耐磨性差的问题，并且改善与提高铝合金的耐腐蚀性。随着人们对微弧氧化技术的不断探索以及该技术日益表现出的独特的

优点，微弧氧化技术在金属表面改性技术领域展示了更为广泛的应用前景，预计其发展趋势有以下几个方面：

微弧氧化电源的优化设计：微弧氧化的合适放电区间较窄，要求对放电后的电参数控制比较精确，大电流、高电压对供电电源提出了高要求，由于对微弧氧化本质认识限制，使得电源的设计及制造仍停留在经验摸索层面上，带有很大的盲目性。

电解液的合理开发及选择：缺乏对单组分电解液及反应机理的深入研究，电解液的选择停留在经验摸索上，难以与微弧氧化电源的合理衔接，进行陶瓷膜层的构造设计。

提高微弧氧化效率：电源消耗的能耗中用到膜层生长的大约为10～30%之间，提高微弧氧化效率也是微弧氧化技术得已推广应用的关键因素之一，还存在电解液冷却困难，消除噪声等问题。

微弧氧化陶瓷膜着色工艺：目前对制备颜色均匀的微弧氧化陶瓷膜的研究重视不够，一步方法完成特定颜色性能良好的陶瓷膜较为困难。