铝合金的微弧氧化

铝合金的微弧氧化
摘要：阳极氧化在铝合金表面处理中，提供漂亮的外观并改善铝合金的表面性能，是在电压-电流曲线的法拉第区进行的，而在非法拉第区(火花放电区、电弧区)将发生氧化膜击穿。

微弧氧化突破传统阳极氧化的限制，文章介绍了微弧氧化的原理及特点、所需设备、优缺点及适用范围、试验方法、表面形貌观察及分析、膜层与基体过渡层显微结构、电压及电流变化规律及对陶瓷层的影响等具体详情。

关键词：铝合金微弧氧化技术应用
微弧氧化又称微等离子体氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。

在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在,因此陶瓷层的形成过程非常复杂。

微弧氧化工艺将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域，克服了硬质阳极氧化的缺陷，极大地提高了膜层的综合性能。

微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。

该技术具有操作简单和易于实现膜层功能调节的特点，而且工艺不复杂，不造成环境污染，是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术，在航空航天、机械、电子、装饰等领域具有广阔的应用前景。

1微弧氧化技术的原理及特点：
微弧氧化或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。

微弧氧化技术的突出特点是：（1）大幅度地提高了材料的表面硬度，显微硬度在1000至2000HV，最高可达3000HV，可与硬质合金相媲美，大大超过热处理后的高碳钢、高合金钢和高速工具钢的硬度；（2）良好的耐磨损性能；（3）
良好的耐热性及抗腐蚀性。

这从根本上克服了铝、镁、钛合金材料在应用中的缺点，因此该技术有广阔的应用前景；（4）有良好的绝缘性能，绝缘电阻可达100MΩ。

（5）溶液为环保型，符合环保排放要求。

（6）工艺稳定可靠,设备简单(7)反应在常温下进行，操作方便，易于掌握。

（8）基体原位生长陶瓷膜，结合牢固,陶瓷膜致密均匀。

2 微弧氧化所需设备：
1、输入电源：采用三项380V电压。

2、微弧氧化电源：因电压要求较高(一般在510—700V之间)，需专门定制。

通常配备硅变压器。

电源输出电压：0—750V可调。

电源输出最大电流：5A、10A、30A、50A、100A等可选。

3、微弧氧化槽及配套设施：槽体可选用PP、PVC等材质，外套不锈钢加固。

可外加冷却设施或配冷却内胆。

4、挂具及阴极材料：挂具可选用铝或铝合金材质，阴极材料选用不溶性金属材料，推荐不锈钢。

3 优缺点及使用范围:
采用微弧氧化技术对铝及其合金材料进行表面强化处理，具有工艺过程简单，占地面积小，处理能力强，生产效率高，适用于大工业生产等优点。

微弧氧化电解液不含有毒物质和重金属元素，电解液抗污染能力强和再生重复使用率高，因而对环境污染小，满足优质清洁生产的需要，也符合我国可持续发展战略的需要。

微弧氧化处理后的铝基表面陶瓷膜层具有硬度高（HV＞1200），耐蚀性强（CASS盐雾试验＞480h），绝缘性好（膜阻＞100MΩ），膜层与基底金属结合力强，并具有很好的耐磨和耐热冲击等性能。

微弧氧化技术工艺处理能力强，可通过改变工艺参数获取具有不同特性的氧化膜层以满足不同目的的需要；也可通过改变或调节电解液的成分使膜层具有某种特性或呈现不同颜色；还可采用不同的电解液对同一工件进行多次微弧氧化处理，以获取具有多层不同性质的陶瓷氧化膜层。

由于微弧氧化技术具有上述优点和特点，因此在机械，汽车，国防，电子，航天航空及建筑民用等工业领域有着极其广泛的应用前景。

主要可用于对耐磨、耐蚀、耐热冲击、高绝缘等性能有特殊要求的铝基零部件的表面强化处理；同时
也可用于建筑和民用工业中对装饰性和耐磨耐蚀要求高的铝基材的表面处理；还可用于常规阳极氧化不能处理的特殊铝基合金材料的表面强化处理。

例如，汽车等各车辆的铝基活塞，活塞座，汽缸及其他铝基零部件；机械、化工工业中的各种铝基模具，各种铝罐的内壁，飞机制造中的各种铝基零部件如货仓地板，滚棒，导轨等；以及民用工业中各种铝基五金产品，健身器材等。

微弧氧化技术目前仍存在一些不足之处，如工艺参数和配套设备的研究需进一步完善；氧化电压较常规铝阳极氧化电压高得多，操作时要做好安全保护措施；以及电解液温度上升较快，需配备较大容量的制冷和热交换设备。

4 试验方法:
以LY12铝合金作原料，样品是直径为 40mm、厚约8mm的圆饼，表面除油后放入电解槽进行微弧氧化，使用去离子水配置的NaOH为导电溶液，加入少量的硅酸钠便于形膜，pH值约8～9，电解槽兼作电极，通入循环冷却水保持电解液温度稳定在20～60℃，氧化时间为3 .5h。

5 试验结果及分析:
(1)表面形貌观察及分析
图2为微弧氧化陶瓷膜层表面的800倍SEM形貌。

从图可以看出：微弧氧化陶瓷膜层由细小的颗粒组成，其中镶嵌着大的颗粒，大的颗粒中间存在着一些2～9μm的椭圆形小孔，根据Krysmann的研究结果：这些颗粒是某个微弧的放电通道，膜表面气泡与液相界面为准阴极，而气泡另一端为阳极。

当两极间施加电压时，工件表面开始生长带有电绝缘特性的氧化膜，随着时间的增加，陶瓷膜层厚度也随着增加，其承受的电压也越来越大，材料表面有大量的气泡生成(水的电解生成氢气和氧气)，当两极间的电压达到几百伏时，工件表面的氧化膜被击穿，产生白色的电弧等现象。

他们之间的高电场强度导致火花放电，产生巨大的热量，电解液很快地将热量带走，熔融物迅速凝固，在材料表面形成多孔状氧化层。

在这一过程中，化学氧化电化学氧化、等离子体氧化并存，比阳极氧化要复杂得多。

图中还可以清楚地看见表面熔融痕迹。

(2) 陶瓷膜截面观察及分析
图3是样品横截面微弧氧化陶瓷膜层放大像，从中可以看出微弧氧化陶瓷膜由表2疏松层、内层2结合层和过渡层(扫描电镜观测不到)组成，膜层厚度可达200μm以上。

图4是微弧氧化陶瓷膜层的模型图，分为通电初期模型图和通电后期模型图。

疏松层系由一层很硬的孔隙较大的物质组成，与基体结合不牢，易被打磨掉，它可能是由微电弧溅射和电化学沉积物而形成；第二层为致密层，含有很
大成分α-Al
2O
3
相，硬度很高约3000HV左右、很耐磨、致密层与铝基体形成不规
则的交错现象、不易脱落、并且与疏松层呈犬牙交错状，也不易分开，这是微弧氧化生成的陶瓷膜不易从基体上脱落的重要原因。

微弧氧化陶瓷膜层的形成非常复杂，涉及到阳极氧化、电化学氧化、等离子体氧化、脉冲氧化等多个方面。

当两极间施加电压时，工件表面开始生长带有电
绝缘特性的Al
2O
3
氧化膜，这属于普通阳极氧化反应。

随着氧化时间的增加，电压
逐渐增强，超出了阳极氧化法拉第区域的限制氧化膜厚度也随着增加，材料表面有大量的气泡生成(水的电解生成氢气和氧气) 为等离子体的产生创造了条件，同时氧化膜与电解液发生反应。

当两极间的电压达到几百伏时，氧化膜被击穿，产生白色的电弧等现象，弧点的温度很高，其瞬间温度超过3000K。

此区域内存
在熔融甚至气化的α-Al
2O
3
和Al与溶液反应激冷生成α-Al
2
Oγ-Al
2
O
3
和其他相。

由于
氧化铝α-Al
2O
3
是一种热力学稳定相，具有较低的生成自由能，晶体的结构表述为：
O2-阴离子近似于六方密堆排列熔点较高，达到2035℃。

(3)膜层与基体过渡层显微结构研究
由于膜层与基体之间的过渡层非常薄，通过对过渡层的结构进行透射电镜分析，图5中a层是膜层与Al基体的过渡层， b层为陶瓷的致密层，由图可以看出，与一般表面处理技术不同，过渡层是在基体的原位“生长”出来的，致密层在过渡层的原位“生长”出来，这种特性决定基体与过渡层、过渡层与致密层之间结合紧密，陶瓷膜层不易脱落。

通过对微弧氧化陶瓷层的过渡层的透射电镜分析发现陶瓷层中有纳米晶结构出现。

纳米晶的出现增强了基体与膜层的结合。

大大地
改善了其组织性能。

越靠近致密层处，纳米晶的尺寸越小，靠近基体处的纳米晶尺寸较大，大约有20nm，并且纳米晶的数量也较少。

同时发现在过渡层的某些地方并没有发现纳米晶，这可能因为在微弧氧化细化晶粒的过程中，产生电火花导致微弧放电，产生大量的热，靠近铝合金基体的结合层由于距离弧光较远，获得的热量较少，所得的纳米晶的尺寸较大；而有些部位由于膜层较厚，微弧放电的几率比较小，没有足够的能量形成纳米晶结构。

(4)电压变化规律及对陶瓷层的影响
电压的高低是影响微弧氧化的主要因素之一。

根据W. Krysmann研究模型表明:在微弧氧化的过程中，电压的选择比较高，大约在300～700V之间，远远大于普通阳极氧化所需要的电压。

如果电压过低，则成膜速度较小，膜层较薄，膜的颜色较浅，硬度也较低，达不到特殊应用的要求；反之，如果工作电压过高，工件又易出现氧化膜被击穿，导致氧化膜的大量脱落和崩离现象发生。

微弧氧化的电压可分为3个区域:法拉第区域，电火花区域，弧光放电区域。

在法拉第区域，随着氧化时间的加长，电压不断增加，在电场的作用下，材料表面生成一层带有
绝缘特征的Al
2O
3
氧化膜，这一阶段属于阳极氧化阶段，随着时间的延长，反应进
入电火花区域，氧化膜厚度逐渐增加，其承受电压也越来越大，再加上材料表面有大量气体生成，有白色火花出现，为等离子体的产生创造了条件。

在电压升高
到某一值后，进入弧光放电区，初生的氧化膜被击穿，材料表面形成大量的等离子体微弧并在材料表面不断移动，在等离子体弧作用下形成的瞬间高温高压微区使氧化膜熔融，等离子弧消失以后，电解液很快地将热量带走，熔融物迅速凝固，在材料表面形成坚硬的膜层。

(5)电流变化规律及对陶瓷层的影响
在微弧氧化过程中，电流明显分为3个阶段:氧化膜形成阶段，电流迅速下降；微弧诱发阶段，电流从最小值开始回升；平衡氧化阶段，电流在稳定中稍有下降，主要原因是与氧化膜的形成有关。

陶瓷层厚度在一定时间内随着电流密度的增加而增加，在某一电流密度下达到极大值。

这是由于随着电流密度的增加能量密度也增加，反应速度加快，形成的陶瓷层增厚，但电流密度进一步升高时，电压也升高，此时已超过了火花放电阶段而进入了弧光放电阶段。

这种连续的放电对膜层的破坏很大，甚至出现氧化膜的剥落及脱离。

随着电流密度的增加，微弧氧化层表面粗糙度增大。

因为电流密度小时，反应不剧烈，此时，击穿电压较小，火花放电反应只能在某些膜层较薄的部位进行，这样形成的膜层较均匀，粗糙度也较小，当电流密度加大时，能量密度增加，反应速度加快，过早地堵塞了较细小的反应通道，此时的击穿电压也较高，使反应不只是在膜较薄部位进行，稍厚处也可能被击穿继续微弧氧化这样形成的陶瓷层就会薄厚不均，粗糙度较大。

结论:
微弧氧化对铝材要求不高，不管是含铜或是含硅的难以阳极氧化铝合金，均可用于微弧氧化，且能得到理想膜层。

表面状态一般不需要经过抛光处理，对于粗糙的表面，经过微弧氧化，可修复的平整光滑；对于粗糙度低（即光滑）的表面，则会增加粗糙度。

微弧氧化与阳极氧化不同，所需温度范围较宽。

一般为10—90度。

温度越高，成膜越快，但粗糙度也增加。

且温度高，会形成水气。

一般建议在20—60度。

由于微弧氧化以热能形式释放，所以液体温度上升较快，微弧氧化过程须配备容量较大的热交换制冷系统以控制槽液温度。

微弧氧化时间一般控制在10～60min。

氧化时间越长，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。

阴极材料可选用不锈钢，碳钢，镍等，可将上述材料悬挂使用或做成阴极槽体。

微弧氧化过后，工件可不经过任务处理直接使用，也可进行封闭，电泳，抛光等后续处理。

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