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鋁及鋁合金的微弧氧化技術(shù)
發(fā)布日期:2015-12-25瀏覽量:1501
1．技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵
（1）微弧氧化技術(shù)的內(nèi)容和工藝流程
鋁及鋁合金材料的微弧氧化技術(shù)內(nèi)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(xué)除油→清洗→微弧氧化→清洗→后處理→成品檢驗(yàn)。
（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(yáng)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(yáng)極電流氧化5min；第二步：將經(jīng)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(yáng)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(tài)的影響：微弧氧化技術(shù)對(duì)鋁基工件的合金成分要求不高，對(duì)一些普通陽(yáng)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(jìn)行微弧氧化處理。對(duì)工件表面狀態(tài)也要求不高，一般不需進(jìn)行表面拋光處理。對(duì)于粗糙度較高的工件，經(jīng)微弧氧化處理后表面得到修復(fù)變得更均勻平整；而對(duì)于粗糙度較低的工件，經(jīng)微弧氧化后，表面粗糙度有所提高。
②電解質(zhì)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(shù)關(guān)鍵。不同的電解液成分及氧化工藝參數(shù)，所得膜層的性質(zhì)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(tài)。溶液的pH范圍一般在9～13之間。根據(jù)膜層性質(zhì)的需要，可添加一些有機(jī)或無(wú)機(jī)鹽類作為輔助添加劑。在相同的微弧電解電壓下，電解質(zhì)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(duì)獲取合格膜層同樣至關(guān)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(chǎn)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(jìn)行。氧化電壓不同，所形成的陶瓷膜性能、表面狀態(tài)和膜厚不同，根據(jù)對(duì)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(nèi)變化。微弧氧化可采用控制電壓法或控制電流法進(jìn)行，控制電壓進(jìn)行微弧氧化時(shí)，電壓值一般分段控制，即先在一定的陽(yáng)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(jìn)行微弧氧化。當(dāng)微弧氧化電壓剛剛達(dá)到控制值時(shí)，通過(guò)的氧化電流一般都較大，可達(dá)10A/dm2左右，隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，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(duì)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?？刂齐娏餮趸瘯r(shí)，氧化電壓開始上升較快，達(dá)到微弧放電時(shí)，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(guī)的鋁陽(yáng)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(jìn)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(shí)溫度越高，電解液蒸發(fā)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(guī)鋁陽(yáng)極氧化快，故微弧氧化過(guò)程須配備容量較大的熱交換制冷系統(tǒng)以控制槽液溫度。雖然微弧氧化過(guò)程工件表面有大量氣體析出，對(duì)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(jī)械裝置或壓縮空氣對(duì)電解液進(jìn)行攪拌。
⑤微弧氧化時(shí)間的影響：微弧氧化時(shí)間一般控制在10～60min。氧化時(shí)間越長(zhǎng)，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(jīng)微弧氧化后可不經(jīng)后處理直接使用，也可對(duì)氧化后的膜層進(jìn)行封閉，電泳涂漆，機(jī)械拋光等后處理，以進(jìn)一步提高膜的性能。
（4）微弧氧化的設(shè)備
①微弧氧化電源設(shè)備是一種高壓大電流輸出的特殊電源設(shè)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(shè)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(shè)備。由于微弧氧化過(guò)程中工件表面具有較高的氧化電壓并通過(guò)較大的電解電流，使產(chǎn)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(zhì)量，因此微弧氧化必須使用配套的熱交換制冷設(shè)備，使電解液及時(shí)冷卻，保證微弧氧化在設(shè)置的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。可將電解液采用循環(huán)對(duì)流冷卻的方式進(jìn)行，既能控制溶液溫度，又達(dá)到了攪拌電解液的目的。
（5）膜層的質(zhì)量檢測(cè)
微弧氧化陶瓷膜層的質(zhì)量檢測(cè)目前無(wú)專門標(biāo)準(zhǔn)，可采用鋁常規(guī)陽(yáng)極氧化膜層性能的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
2．優(yōu)缺點(diǎn)及使用范圍
采用微弧氧化技術(shù)對(duì)鋁及其合金材料進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，占地面積小，處理能力強(qiáng)，生產(chǎn)效率高，適用于大工業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。微弧氧化電解液不含有毒物質(zhì)和重金屬元素，電解液抗污染能力強(qiáng)和再生重復(fù)使用率高，因而對(duì)環(huán)境污染小，滿足優(yōu)質(zhì)清潔生產(chǎn)的需要，也符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)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(qiáng)（CASS鹽霧試驗(yàn)＞480h），絕緣性好（膜阻＞100MΩ），膜層與基底金屬結(jié)合力強(qiáng)，并具有很好的耐磨和耐熱沖擊等性能。微弧氧化技術(shù)工藝處理能力強(qiáng)，可通過(guò)改變工藝參數(shù)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(guò)改變或調(diào)節(jié)電解液的成分使膜層具有某種特性或呈現(xiàn)不同顏色；還可采用不同的電解液對(duì)同一工件進(jìn)行多次微弧氧化處理，以獲取具有多層不同性質(zhì)的陶瓷氧化膜層。
由于微弧氧化技術(shù)具有上述優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，因此在機(jī)械，汽車，國(guó)防，電子，航天航空及建筑民用等工業(yè)領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用前景。主要可用于對(duì)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(qiáng)化處理；同時(shí)也可用于建筑和民用工業(yè)中對(duì)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(guī)陽(yáng)極氧化不能處理的特殊鋁基合金材料的表面強(qiáng)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(jī)械、化工工業(yè)中的各種鋁基模具，各種鋁罐的內(nèi)壁，飛機(jī)制造中的各種鋁基零部件如貨倉(cāng)地板，滾棒，導(dǎo)軌等；以及民用工業(yè)中各種鋁基五金產(chǎn)品，健身器材等。
微弧氧化技術(shù)目前仍存在一些不足之處，如工藝參數(shù)和配套設(shè)備的研究需進(jìn)一步完善；氧化電壓較常規(guī)鋁陽(yáng)極氧化電壓高得多，操作時(shí)要做好安全保護(hù)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(shè)備。
