铝合金微弧氧化(MAO)

铝合金微弧氧化（MAO）
1.微弧氧化概述
微弧氧化也称微等离子体表面陶瓷化技术,是指在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化陶瓷膜的方法，是通过用专用的微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，金属表面形成陶瓷膜，达到工件表面强化的目的。

2.微弧氧化现象及其特点
在阳极氧化过程中，当铝合金上施加的电压超过一定范围时，铝合金表面的氧化膜就会被击穿。

随着电压的继续不断升高，氧化膜的表面会出现辉光放电、微弧和火花放电等现象。

表面辉光放电的温度比较低，对氧化膜的结构影响不大；火花放电温度，甚至可能使铝合金表面熔化，同时发射出大量的电子及离子，使火花放电区出现凹坑及麻点，这对材料表面是一种破坏作用；只有微弧去的温度适中，即可使氧化膜的结构发生变化，有不造成铝合金材料表面的破坏，微弧氧化就是利用这个温度区对材料表面进行改造处理的。

铝合金说施加的电压变化所产生的辉光、微弧和火花放电区域
在微弧氧化的过程下，原来生成的氧化膜不会脱落，只有表面一部分氧化膜可能会被粉化而沉淀在溶液中。

铝合金表面可以继续氧化，随着外加电压的升高，或时间的延长，微弧氧化膜厚度不会继续增加，直至达到外加电压对应的最终厚度。

在工艺过程中，随着微弧氧化膜厚度的增加，微弧的亮度会逐渐暗淡下去，直至最后消失。

但是微弧消失后，只要微弧消失后，只要外加电压继续存在，氧化膜还好继续生长，从实际中发现，微弧氧化膜的最大厚度可以达到200~300μm。

微弧氧化与普通阳极氧化一样，也存在着表面氧化和氧离子渗透到基体内与铝离子氧化结合，俗称渗透氧化的过程。

实际发现有大约70%的氧化层存在于铝合金的基体中，因此样品表面的几何尺寸变动不大。

由于渗透氧化，氧化层与基体之间存在着相当厚的过渡层，使氧化膜和基体呈闹牢固的冶金结合，不易脱落，这也是微弧氧化优于电镀和喷涂的地方。

图9-5是微弧氧化的剖面结构图，由图9-5可以看出，微弧氧化膜有三层组成，靠近铝基体中氧化膜于基体结合的过渡层交界面为凹凸不平，互相咬合，说明氧化膜于基体结合牢固，不易脱落，氧化膜的表面是一层疏松的白色陶瓷粉末，很容易用砂纸磨去，氧化时间越长，这层疏松层会变厚，当除去这层疏松层以后，剩下的是硬度很高、质地致密的陶瓷氧化膜。

图9-6表示铝合金的微弧氧化膜截面的显微硬度和孔隙率的剖面，其纵坐标（左）表示显微硬度（HV），纵坐标（右）表示孔隙率。

图9-6中明确地表明显微硬度和孔隙率与氧化膜的深度密切关系。

微弧氧化的基本设备与阳极氧化大体相同，有氧化槽、电源及溶液的冷却与搅拌系统三部分组成。

如图9-7
度，KOH与Na2SiO3的质量比为1:10，，溶液的pH值一般控制9~13。

微弧氧化膜的生长速度约为30~50μm，而微弧氧化膜硬度（HV）可达1500~2000。

5.微弧氧化工艺
微弧氧化的工艺参数首先应该是施加在铝合金样品上的外加电压，一般来说最终电压决定微弧氧化膜的厚度。

最终电压是外加电压不断升高达到的，一般在工艺操作过程中需要进行逐步调节升高，不能直接加至最终电压，否则因为微弧氧化膜生长速度过快，可能出现局部麻坑，甚至发生样品表面局部烧蚀。

微弧氧化的开始起弧电压是与溶液成分、金属类型和工艺等因素有关的。

随着外加电压的不断升高，微弧氧化膜的厚度也不断升高，最终其膜厚达到外加最终电压所决定的厚度。

在某些工艺可以到达450~600V，电流密度平均值大约为10A/dm2。

微弧氧化膜的基本特性是与待处理材料及其表面状态有关的，也与槽液类型、电解质溶液成分、外加电压、电流密度、槽液温度和搅拌状况等因素有关。

微弧氧化与普通阳极氧化比较，对于铝合金材料及其表面状态要求不高，即使铝合金表面自然氧化膜，也不会对微弧氧化发生影响。

但是槽液的成分及其活动是微弧氧化膜性能的关键所在，一般来说在相同的微弧氧化外加电压下，电解质浓度越高，成膜速度越慢，槽液温度上升越慢。

反之，成膜速度变快，槽液温度上升也快。

微弧氧化的电压与电流密度对于氧化膜的性能至关重要。

铝合金材料和槽液成分不同，则微弧放电击穿电压（工件表面刚刚发生微弧放电的电解电压）也不同。

微弧氧化的电压一般控制在高出击穿电压几十伏甚至上百伏的电压条件下进行，不同微弧氧化电压生成的陶瓷膜，其性能、厚度和表面状态均不同。

根据微弧氧化膜的性能要求和微弧氧化的工艺条件，微弧氧化电压可选择在200~600V范围内变化。

微弧氧化可以选择控制电压或控制电流两种方法进行，在控制电压微弧氧化时，电压一般应分段递增，即先在较低的电压下铝表面生成一定厚度的绝缘氧化膜，然后再加电压到控制电压值进行微弧氧化。

当微弧氧化电压刚刚达到控制电压值时，电流一般都很大，可能为10A/dm2;随着氧化时间的延长，表面微弧氧化陶瓷膜不断形成和完善，其氧化电流也逐渐降低，最后可能降低到1A/dm2以下。

氧化电压波形对微弧氧化膜的性能也有影响，可以采用直流、交流、锯齿、方波等波形进行微弧氧化。

控制电流法比控制电压法在工艺控制方面更加方便，控制电流法的电流密度一般为2~8 A/dm2。

控制电流微弧氧化时，开始的氧化电压上升很快，当达到微弧放电后电压上升减慢。

随着微弧氧化膜的形成，氧化电压有较快地上升，最后维持在一个较高的电解电压下。

微弧氧化的溶液温度和搅拌与普通阳极氧化完全不同，微弧氧化的温度允许范围相当宽，原则上在10~80℃很宽的范围中进行。

但由于设备使用材料的限制，如塑料管道和水泵的影响，一般只能在10~50℃的温度下进行。

槽液的温度越高，工件与溶液界面处的水汽化程度越厉害，微弧氧化膜的生成速度也越快，膜的粗糙度也随之增加；同时温度越高，电解溶液蒸发也越快，所以微弧氧化的槽液温度一般控制在20~60℃的范围。

由于微弧氧化的大部分能量以热能的形式释放，微弧氧化的槽液温度上升比普通阳极氧化快的多，所以微弧氧化过程需要配备容量大的热交换制冷系统，以控制槽液温度的上升。

尽管微弧氧化过程中工件表面有大量气泡析出，对槽液起到一定的搅拌作用，但是为了保证槽液温度均匀性和体系成分的一致性，一般应该配备机械搅拌装置对槽液进行有效搅拌。

微弧氧化过程中有一个很大的有点是，如果工艺过程中电源突然中断，等电源接通后可以直接继续进行氧
化，不需要出去样品上已经生成的氧化膜，也不必要更换样品重新处理。

但是普通阳极氧化是不允许电源中断的，否则样品的阳极氧化过程必须从头开始，即样品表面的已经生成的氧化膜必须清除干净重新进行。

此外微弧氧化的工艺流程比普通的阳极氧化简单，不需要像阳极氧化那样对样品表面进行脱脂、碱洗、除灰等一系列化学预处理工序，而只想要出去金属表面的油污和尘土就可以进行。

假如工件表面没有严重污染，甚至可以直接进行微弧氧化，因为微弧氧化的碱性溶液和微弧氧化工艺本身就可以起到脱脂等化学预处理的清理功能。

样品的电接触支架设计是微弧氧化的工艺难点之一，比起普通阳极氧化要复杂的多。

在普通阳极氧化过程中，由于施加的电压比较低，可以采用挂钩或简单的固定模式，而微弧氧化中由于采用电压、大电流，样品必须与支架接触牢固，不能采用简单的挂钩方式，有时候甚至要用螺钉固定。

支架暴露在电解槽液的那部分必须采用耐高压的绝缘胶带包裹住，否则使用一次支架就作废了，使微弧氧化的成本增加。

6.微弧氧化膜的主要性能
微弧氧化膜由于经受高温高压的物理化学作用，发生了相和结构的变化，因此硬度大大增加，从而提高了它的耐磨性能。

此外由于微弧氧化膜的孔隙率低、致密度高，因而具有很高的耐腐蚀性能以及较高的电绝缘性能和抗高温冲击特点：
a．铝微弧氧化膜的硬度及其分布。

铝微弧氧化膜的硬度极高，下图所示为2A12铝合金微弧氧化膜剖面的硬度分布。

由图可见，靠近基体界面约50μm区域内，微弧氧化膜硬度可达1500HV以上，最高点可超过2000HV，比硬质阳极氧化膜高4~5倍。

随着测试点离基体界面距离的加大，硬度逐渐降低，最后平稳地趋近1000HV左右。

不同铝合金生成的微弧氧化膜，硬度也有所不同，以2XXX系铝合金为最高，6XXX系铝镁合金次之，铸态铝硅合金最差。

下表列出不同铝合金微弧氧化膜的硬度值，铸态铝合金的硬度值只有1000HV左右，而2024铝合金可能达到2000HV以上，普通最常用使用的6063铝合金也可以保持在1500HV，也就是微弧氧化膜的硬度达到硬质阳极氧化膜的3倍。

为了说明微弧氧化膜的硬度在各种材料中的位置，下图中还列出了不同材料包括SiC陶瓷、钨合金、铬合金、硬质合金等著名高硬度材料和不锈钢的表面硬度，从中可以看出，铝合金微弧氧化膜的表面硬度是相当高的，仅稍低于氮化物黏结的碳化硅，高于碳化钨、碳化铬和硬质工具钢等硬质材料。

b．微弧氧化膜的耐磨性能。

一般而论，微弧氧化膜的耐磨性比硬质阳极氧化膜可以大7倍左右。

c．铝微弧氧化膜的耐蚀性能。

铝合金微弧氧化膜具有很好的耐蚀性能，由于Al2O3具有很好化学不活泼性，其耐盐雾耐蚀性能可以达到2000h以上。

下图列出了6061铝合金微弧氧化膜的耐蚀性能与硬质阳极氧化膜、化学镀镍膜及硬铬膜的比较。

下图中的微弧氧化膜已经经过封孔处理，微弧氧化膜的耐中性盐雾腐蚀性能比硬质阳极氧化膜高出5倍。

如果不进行封孔处理，微弧氧化膜的耐腐蚀性能就会有所下降，但仍然可以经受1000h的中性盐雾试验，腐蚀等级可以达到9级。

d．铝微弧氧化膜的绝缘特性。

微弧氧化膜具有很好的电绝缘特性。

e．铝微弧氧化膜的其他特性。

铝微弧氧化膜的抗高温冲击特性很好。