铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术

铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术

西安工业大学北方信息工程学院张少飞

摘要：论述了基于电物理化学复合作用在铝合金表面生成陶瓷层的微弧氧化新技术,阐明了微弧氧化表面处理技术的特点、工艺和设备的原理 , 简述了微弧氧化技术发展存在的主要问题，微弧氧化技术的应用前景，微弧氧化陶瓷层制备的影响因素。

关键词：铝；微弧氧化；表面陶瓷化

The influence factors of preparation of micro arc oxidation

ceramic layer

Abstract：Is discussed based on the physical and chemical compound role in aluminum alloy surface to generate new technology of micro arc oxidation ceramic layer, illustrates the characteristics of micro-arc oxidation surface treatment technology, the principle of process and equipment, this paper briefly describes the main problems of micro-arc oxidation technology, the application prospect of micro-arc oxidation technology, the influence factors of micro arc oxidation ceramic layer preparation.

Keywords：Aluminum; Micro-arc oxidation; On the surface of ceramic,

前言

铝及其合金因其重量轻而被广泛应用于航天、航空和其他民用工业中。但缺点是表面硬度低,不耐磨损。哈尔滨工业大学所属的黑龙江中俄科技合作及产业化中心在3年前引进俄罗斯先进技术的基础上,掌握了在铝及铝合金等材料表面用电火花微弧放电氧化处理,使之表面生成以氧化铝(Al2O3)为主的陶瓷薄层的现代先进技术。微弧氧化是一种新兴的材料表面陶瓷化处理技术,它是在传统的阳极氧化基础上发展起来的一种在 Al、Mg、Ti 等有色金属表面原位生长陶瓷膜的新技术。经微弧氧化处理后,材料表面可生成一层厚度大、硬度和绝缘电阻均较高的晶态或非晶态Al2O3陶瓷膜。该膜层耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和热稳定性好,综合性能明显优于传统的阳极氧化膜,因此在航空、航天、汽车、机械和轻工等工业领域有着广阔的应用前景。

1微弧氧化发展简史

微弧氧化概念于 20世纪50年代提出,70年代后期逐步引起国外学术界的研究兴趣,80年代开始成为研究热点。其实,早在20世纪30年代初期就发现了微弧放电现象,并首次提出在高电场中浸入液体的金属表面出现火花放电,火花对氧化膜具有破坏作用。

后来发现,利用这种现象可以在金属基体表面生成性能较好的氧化膜层。

20世纪50 年代,美国的一些兵工厂开始研究阳极火花技术,直到70年代以后才注意到这种现象在金属表面氧化处理中所具有的价值。同时, 美国的2所大学用直流或单向脉冲电源研究铝、钛等金属表面火花放电沉积薄膜。196年,苏联对铝及铝合金材料施加电压,当其高于火花区电压时,获得了性能很好的氧化物陶瓷膜。这种在微电弧条件下通过氧化获得涂层的过程, 称为微弧氧化。此后, 进行了大量的研究,并积极推广应用。到80年代,利用火花放电在纯铝材表面获得了含 A -A l 2O3的硬质膜层。

我国从20世纪90年代中期才开始关注微弧氧化技术,对铝合金和镁合金微弧氧化陶瓷层的制备过程、能量交换、膜的形貌结构及应用都进行了有益的探讨。

2合金微弧氧化技术

微弧氧化技术,又称微等离子体氧化,阳极火花沉积或火花放电阳极氧化,是在普通阳极氧化的基础上发展起来的一种新的表面处理技术，铝合金在电解液中通过高压放电作用,其表面生成一层与基体以冶金方式结合的氧化铝为主的陶瓷层,陶瓷质的高硬度!高阻抗和高稳定性满足铝合金防海水腐蚀!高温热蚀和改善耐磨等性能要求。尤其是在减摩条件下,微弧氧化技术可以在铝合金表面形成硬质氧化铝多孔陶瓷层,其表面均匀分布的微孔有利于在摩擦过程中形成连续油膜,从而改善摩擦条件。如图1为经微弧氧化处理后的铝合金制品。

图1微弧氧化处理的铝合金制品

3微弧氧化技术的基本原理

微弧氧化技术是一种直接在阀金属表面原位生长陶瓷层的新技术,所谓铝合金微弧氧化就是将铝合金试件置于电解质水溶液中,利用电化学方法在该试件表面产生火花放电现象,在热化学!等离子体化学和电化学的共同作用下,生成以氧化铝为主要成分的陶瓷层的方法。将铝合金试件放入电解液中,通电后表面立即生成一层较薄的高阻抗氧化膜,当作用在氧化膜表面的电压达到某一数值时,电解液里的样品表面能观察到无数游动的弧点,这表明氧化膜某些薄弱部位被击穿,发生的微区弧光放电。由于击穿总是在氧化膜相对薄弱的部位发生,当氧化膜被击穿后,在膜内部形成放电通道,铝离子和氧离子在放电通道中结合,形成熔融氧化铝,当放电通道中的弧光点熄灭后,放电通道中的熔融氧化铝冷却凝固,这样由于一个放电过程终止,当其耐压能力高于表面其它位置时,外加电压必然会引发陶瓷层其它薄弱部位的击穿放电,整个过程循环往复。在初始阶段,样品表面

游动弧点较小,形成的氧化膜表面微孔直径较小。随着氧化时间延长,陶瓷层厚度增加,击穿变得越来越困难,试样表面弧点数量减少,但弧点增大!亮度增强。在铝合金表面氧化膜击穿放电过程中,一方面在高温高压下陶瓷层内部氧原子和铝原子不断扩散,并且部分氧原子通过击穿时产生的放电通道进入基体内部与铝离子结合,生成氧化铝陶瓷;另一方面,少数的熔融氧化物从放电通道中喷射出来并到达与电解液接触的陶瓷层表面,喷射出来的熔融氧化物和重熔后的氧化物在电解液的“冷淬”作用下迅速凝固,形成“火山喷射状”表面形貌。

4微弧氧化工艺及设备

图 2是微弧氧化工艺和设备的原理简图。图中1为脉冲电源；2为需微弧氧化的铝合金工件(接脉冲电源正极)；3为不锈钢槽,接电源负极；4为工作液 ,常用氢氧化钾(KO H)添加硅酸钠(Na2 S iO3)或偏铝酸钠(NaAlO2) 等的溶液；5为吹气搅拌用的压缩空气管。

图2微弧氧化工艺及设备原理简图

加工开始时,在10～50V直流低电压和工作液的作用下,铝合金表面产生有一定电阻率的阳极氧化薄膜,随着此氧化膜的增厚,为保持一定的电流密度,直流脉冲电源的电压也应不断地相应提高,直至升高到300V以上,此时氧化膜为绝缘膜。当电压提高到400 V左右时,将对铝合金表面产生的绝缘膜击穿形成微电弧放电,可看到表面上有很多红白色的细小火花亮点,此起彼伏,连续、交替、转移放电。当电压升高到500V或更高时,微电弧火花放电的亮点成为蓝白色,更大更粗,且伴有连续的噼啪放电声。时微电弧火花放电通道3000℃以上的高温,将铝合金表面中熔融铝原子与工作液中的氧原子,以及电解时阳极上的铝离子(Al3+)与工作液中的氧离子(O2-)发生物理、化学反应结合而成Al2O3陶瓷层。这过程实际上非常复杂,人们还在不断研究和深化认识的过程中。最简单的直流脉冲电源是380 V、50 Hz 的交流电源经变压器升压至0～600V 可调节的交流电,再经半波或全波整流成每秒50次或100次的正弦波。

为了获得较厚和较硬的陶瓷层,应采用矩形波(方波)输出的单向脉冲电源,最好采用交变的正负矩形波脉冲电源。

5微弧氧化技术的特点

微弧氧化是从普通阳极氧化发展而来的,它突破了传统的阳极氧化电流、电压法拉第区域的限制,把阳极电位由几十伏提高到几百伏,氧化电流也从小电流发展到大电流,由直流发展到交流,致使在样品表面上出现电晕、辉光、微弧放电、甚至火花放电等现象。观察电流变化规律,在不同的时间段内,峰值电流不同。峰值电流的变化