鋁及鋁合金的微弧氧化技術?

　　1．技術內容及技術關鍵

　　（1）微弧氧化技術的內容和工藝流程

　　鋁及鋁合金材料的微弧氧化技術內容主要包括鋁基材料的前處理；微弧氧化；后處理三部分。其工藝流程如下：鋁基工件→化學除油→清洗→微弧氧化→清洗→后處理→成品檢驗。

　　（2）微弧氧化電解液組成及工藝條件

　　例1.電解液組成：K2SiO3 5～10g/L，Na2O2 4～6g/L，NaF 0.5～1g/L，CH3COONa 2～3g/L，Na3VO3 1～3g/L；溶液pH為11～13；溫度為20～50℃；陰極材料為不銹鋼板；電解方式為先將電壓迅速上升至300V，并保持5～10s，然后將陽極氧化電壓上升至450V，電解5～10min。例2兩步電解法，第一步：將鋁基工件在200g/L的K2O·nSiO2（鉀水玻璃）水溶液中以1A/dm2的陽極電流氧化5min；第二步：將經第一步微弧氧化后的鋁基工件水洗后在70g/L的Na3P2O7水溶液中以1A/dm2的陽極電流氧化15min。陰極材料為：不銹鋼板；溶液溫度為20～度為20～50℃。

　　（3）影響因素

　　①合金材料及表面狀態的影響：微弧氧化技術對鋁基工件的合金成分要求不高，對一些普通陽極氧化難以處理的鋁合金材料，如含銅、高硅鑄鋁合金的均可進行微弧氧化處理。對工件表面狀態也要求不高，一般不需進行表面拋光處理。對于粗糙度較高的工件，經微弧氧化處理后表面得到修復變得更均勻平整；而對于粗糙度較低的工件，經微弧氧化后，表面粗糙度有所提高。

　　②電解質溶液及其組分的影響：微弧氧化電解液是獲到合格膜層的技術關鍵。不同的電解液成分及氧化工藝參數，所得膜層的性質也不同。微弧氧化電解液多采用含有一定金屬或非金屬氧化物堿性鹽溶液（如硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等），其在溶液中的存在形式最好是膠體狀態。溶液的pH范圍一般在9～13之間。根據膜層性質的需要，可添加一些有機或無機鹽類作為輔助添加劑。在相同的微弧電解電壓下，電解質濃度越大，成膜速度就越快，溶液溫度上升越慢，反之，成膜速度較慢，溶液溫度上升較快。

　　③氧化電壓及電流密度的影響：微弧氧化電壓和電流密度的控制對獲取合格膜層同樣至關重要。不同的鋁基材料和不同的氧化電解液，具有不同的微弧放電擊穿電壓（擊穿電壓：工件表面剛剛產生微弧放電的電解電壓），微弧氧化電壓一般控制在大于擊穿電壓幾十至上百伏的條件進行。氧化電壓不同，所形成的陶瓷膜性能、表面狀態和膜厚不同，根據對膜層性能的要求和不同的工藝條件，微弧氧化電壓可在200～600V范圍內變化。微弧氧化可采用控制電壓法或控制電流法進行，控制電壓進行微弧氧化時，電壓值一般分段控制，即先在一定的陽極電壓下使鋁基表面形成一定厚度的絕緣氧化膜層；然后增加電壓至一定值進行微弧氧化。當微弧氧化電壓剛剛達到控制值時，通過的氧化電流一般都較大，可達10A/dm2左右，隨著氧化時間的延長，陶瓷氧化膜不斷形成與完善，氧化電流逐漸減小，最后小于1A/dm2。氧化電壓的波形對膜層性能有一定影響，可采用直流、鋸齒或方波等電壓波形。采用控制電流法較控制電壓法工藝操作上更為方便，控制電流法的電流密度一般為2～8A/dm2。控制電流氧化時，氧化電壓開始上升較快，達到微弧放電時，電壓上升緩慢，隨著膜的形成，氧化電壓又較快上升，最后維持在一較高的電解電壓下。

　　④溫度與攪拌的影響：與常規的鋁陽極氧化不同，微弧氧化電解液的溫度允許范圍較寬，可在10～90℃條件下進行。溫度越高，工件與溶液界面的水氣化越厲害，膜的形成速度越快，但其粗糙度也隨之增加。同時溫度越高，電解液蒸發也越快，所以微弧氧化電解液的溫度一般控制在20～60℃范圍。由于微弧氧化的大部分能量以熱能的形式釋放，其氧化液的溫度上升較常規鋁陽極氧化快，故微弧氧化過程須配備容量較大的熱交換制冷系統以控制槽液溫度。雖然微弧氧化過程工件表面有大量氣體析出，對電解液有一定的攪拌作用，但為保證氧化溫度和體系組分的均一，一般都配備機械裝置或壓縮空氣對電解液進行攪拌。

　　⑤微弧氧化時間的影響：微弧氧化時間一般控制在10～60min。氧化時間越長，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。

　　⑥陰極材料：微弧氧化的陰極材料采用不溶性金屬材料。由于微弧氧化電解液多為堿性液，故陰極材料可采用碳鋼，不銹鋼或鎳。其方式可采用懸掛或以上述材料制作的電解槽作為陰極。

　　⑦膜層的后處理：鋁基工件經微弧氧化后可不經后處理直接使用，也可對氧化后的膜層進行封閉，電泳涂漆，機械拋光等后處理，以進一步提高膜的性能。

　　（4）微弧氧化的設備

　　①微弧氧化電源設備是一種高壓大電流輸出的特殊電源設備，輸出電壓范圍一般為0～600V；輸出電流的容量視加工工件的表面積而定，一般要求6～10A/dm2。電源要設置恒電壓和恒電流控制裝置，輸出波形視工藝條件可為直流、方波、鋸齒波等波形。

　　②熱交換和制冷設備。由于微弧氧化過程中工件表面具有較高的氧化電壓并通過較大的電解電流，使產生的熱量大部分集中于膜層界面處，而影響所形成膜層的質量，因此微弧氧化必須使用配套的熱交換制冷設備，使電解液及時冷卻，保證微弧氧化在設置的溫度范圍內進行。可將電解液采用循環對流冷卻的方式進行，既能控制溶液溫度，又達到了攪拌電解液的目的。

　　（5）膜層的質量檢測

　　微弧氧化陶瓷膜層的質量檢測目前無專門標準，可采用鋁常規陽極氧化膜層性能的檢測標準。

　　2．優缺點及使用范圍

　　采用微弧氧化技術對鋁及其合金材料進行表面強化處理，具有工藝過程簡單，占地面積小，處理能力強，生產效率高，適用于大工業生產等優點。微弧氧化電解液不含有毒物質和重金屬元素，電解液抗污染能力強和再生重復使用率高，因而對環境污染小，滿足優質清潔生產的需要，也符合我國可持續發展戰略的需要。微弧氧化處理后的鋁基表面陶瓷膜層具有硬度高（HV＞1200），耐蝕性強（CASS鹽霧試驗＞480h），絕緣性好（膜阻＞100MΩ），膜層與基底金屬結合力強，并具有很好的耐磨和耐熱沖擊等性能。微弧氧化技術工藝處理能力強，可通過改變工藝參數獲取具有不同特性的氧化膜層以滿足不同目的的需要；也可通過改變或調節電解液的成分使膜層具有某種特性或呈現不同顏色；還可采用不同的電解液對同一工件進行多次微弧氧化處理，以獲取具有多層不同性質的陶瓷氧化膜層。

　　由于微弧氧化技術具有上述優點和特點，因此在機械，汽車，國防，電子，航天航空及建筑民用等工業領域有著極其廣泛的應用前景。主要可用于對耐磨、耐蝕、耐熱沖擊、高絕緣等性能有特殊要求的鋁基零部件的表面強化處理；同時也可用于建筑和民用工業中對裝飾性和耐磨耐蝕要求高的鋁基材的表面處理；還可用于常規陽極氧化不能處理的特殊鋁基合金材料的表面強化處理。例如，汽車等各車輛的鋁基活塞，活塞座，汽缸及其他鋁基零部件；機械、化工工業中的各種鋁基模具，各種鋁罐的內壁，飛機制造中的各種鋁基零部件如貨倉地板，滾棒，導軌等；以及民用工業中各種鋁基五金產品，健身器材等。

　　微弧氧化技術目前仍存在一些不足之處，如工藝參數和配套設備的研究需進一步完善；氧化電壓較常規鋁陽極氧化電壓高得多，操作時要做好安全保護措施；以及電解液溫度上升較快，需配備較大容量的制冷和熱交換設備。