铝合金微弧氧化表面陶瓷化处理技术

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1、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 oxidationceramic layerAbstract：Is discussed based on the physical and chemical compoun

2、d 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 technol

3、ogy, 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

4、,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 (A1203)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

5、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

6、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

7、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 基体表面生成性能较好的氧化膜层。 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

8、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

9、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

10、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1050V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 400V 左右时， 将对铝合金表面产生的绝缘 膜

11、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3000r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（A13+）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 0600V 可调节的交流电 ， 再经半

12、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 明显的分为3 个阶段,如图 3所示。首 先是初始氧化膜的形成阶段 ,峰值电 流迅速下降；然

13、后为微弧诱发阶段,峰 值电流从最小值开始回升；最后为平 衡氧化阶段 ,峰值电流稳定中稍有下 降。 这 3 个阶段之间存在着明显的转 折点,所以,在微弧氧化过程中不能简 单地采用单一的电压 ,应根据氧化过 程中的不同阶段对工作电压进行调整 以保证第一阶段形成完整的绝缘膜、 诱发弧以及最后生成陶瓷氧化膜的质 量。微弧氧化装置包括专用高压电源、 氧化槽、冷却系统和搅拌系统。氧化 液大多采用碱性溶液 , 对环境污染 小。溶液温度以室温为宜,温度变化范 围较宽。溶液温度对微弧氧化的影响 比阳极氧化小得多 ,因为微弧区烧结 温度达几千度,远高于槽温。而阳极氧 化要求溶液温度较低 ,特别是硬质阳 极氧化对溶液温度限制更为严格。 微 弧氧化工件形状可以较复杂 ,部分内 表面也可处理。微弧氧化和阳极氧化 技术比较见表 1。图 3 峰值电流随时间的变化曲线氧化类 型微弧氧化阳极氧化硬质阳 极氧化电压/V高压低压较低压电流/A强流电流密电流密度小度小工艺流 程去油 一微 弧氧化碱蚀f 酸洗一 机械性 清洗f 阳极氧 化f封 孔去油f 碱蚀f 去氧化 f硬阳 极氧化 f化学 圭寸闭f 封蜡或 热处理处理时 间m in10 3030660120膜层厚 度” m5030 6050溶 液性质碱性溶 液酸性溶 液酸性溶 液工作温 度。C 2高高/ %击穿电2 000不绝缘低压/ V