微弧氧化技术的研究与应用

微弧氧化技术的研究与应用

1微弧氧化的分类20世纪30年代初，guntreal和betz首次发现在高压下含液体层的金属表面有火花放电的现象。到目前为止，人们对微弧氧化有不同的看法，并有不同的名字。相继出现了气泡氧化、气泡氧化、气泡氧化、微弧氧化、微弧放电氧化、微十字氧化、微十字氧化、微十字氧化、微十字氧化、，等。离子电离作用氧化（plamelatistic氧化）、电离作用氧化（peo）、电离作用氧化（plamelatta）、微十字氧化（meo）、等。尽管名称不一样,但其实质和过程是相同的,其实质是置于电解质中的铝镁合金工件,其表面生成的氧化膜受端电压的影响而发生火花放电现象,放电过程产生的微区高温高压条件使样品表层的铝镁原子与电解质中处于电离状态的活化氧离子反应,生成具有陶瓷结构特征的氧化铝、氧化镁陶瓷氧化层。其过程是空间电荷在氧化物基体中形成、在氧化物孔中发生气体放电、膜层材料的局部熔化、热扩散、带负电的胶体微粒迁移进入放电通道、等离子体化学与热化学反应。文献把气体放电看作电子“雪崩”,正是由于发生了电子“雪崩”和强烈的热扩散(“冷淬”)这两过程,生成物具有陶瓷的特征,所以微弧氧化技术具有广阔的应用前景。结合本课题组的研究成果和实际生产经验,本文对微弧氧化的特点进行阐述、对应用前景进行展望,同时针对微弧氧化研究现状和企业需求,对其研究方向作简要的说明。2微弧氧化的特点2.1优势和劣势2.1.1微弧氧化陶瓷层的物相分析Al、Mg、Ti合金微弧氧化后产物的主要成分分别为Al2O3、MgO、TiO2。图1为铝合金微弧氧化陶瓷层的物相分析图。由于这些产物都是陶瓷相,所以微弧氧化陶瓷层具有很高的硬度,高达2500HV,从而赋予了其优良的耐磨性能,其耐磨性能优于传统阳极氧化和镀硬铬镀层(如图2所示)。其优良的耐磨性还跟大量微孔的含有的润滑油的自润滑特性有关。2.1.2具有明显的三方结构尽管陶瓷层中存在大量的喷射口,但是这些喷射口对应的孔洞为盲孔;另外陶瓷层具有明显的三层结构,即疏松层、致密层和过渡层(如图1-4所示),所以它对内部基体金属具有良好的保护作用,使得耐腐蚀性能大大提高。图5为盐雾腐蚀对比曲线,试验100h后,微弧氧化的腐蚀率仅为钝化处理的28%、阳极氧化的20%。2.1.3整微弧氧化的工艺流程微弧氧化技术还具有处理工序简单、速度快的优点,通常条件下一个完整微弧氧化过程按以下工艺流程来完成:除油→清洗→氧化→清洗→封孔→烘干。与传统的阳极氧化和电镀相比,减少四五道工序,完成整个工序仅需10min左右,这不仅提高了生产效率,还降低了运行成本。2.1.4氧化铝陶瓷层的制备在微弧氧化时,与电源正极相接的工件浸在溶液里作阳极,与电源负极相连的不锈钢板作阴极。通电后,工件表面的电力线分布均匀,故最终陶瓷层厚度及色泽均匀。据文献,采用微弧氧化强化技术,可在复杂铝制零件的表面均匀长出一层与基体结合良好的的氧化铝陶瓷层。香港嘉瑞公司对氧化处理40min的50dm2的铝板进行厚度和光泽度测试,结果各点厚度差距最大为1.5μm,光泽度相对于平均值的左右摆度小于2。2.1.5使用寿命长,排放率低由于溶液中的各种离子在微弧氧化过程中只起导电作用,基本上不消耗,所以其使用寿命长,排放率低。另外,微弧氧化溶液呈中性或碱性,而且溶液中不含重金属离子、铬离子和环保限制元素,所以微弧氧化技术环保、无污染。2.2烧蚀、烧蚀和过烧之间的匹配正如文献所说,微弧氧化工艺仍存在一些不足之处,如生产过程中能耗较大,电解液冷却困难,生产过程有一定的噪声以及在高压下的用电安全等。文献还叙述了其相关的缺点:加工完成后,后续处理比较麻烦;可能发生烧结能量过分集中而产生过烧或基体烧蚀现象。由于产物都是陶瓷相,所以微弧氧化陶瓷层脆性大,不能承受大的冲击载荷。3微弧氧化技术的应用前景3.1在铬表面处理中的应用3.1.1作为表面处理的材料铝合金微弧氧化处理出来的陶瓷层为晶态氧化物,该陶瓷层的表面硬度比常规阳极氧化膜层和电镀层要高,表现出优良的耐磨性能,故该技术可用于铝合金耐磨件的表面处理,如对铝合金气缸内壁氧化处理。图2-1为微弧氧化处理后深圳法兰士公司的超硬铝构件、深圳佳驰油泵盖以及某显微镜公司的载物小平台,这些零件现在已经开始产量化,据这些客户测试的结果,耐磨性能较硬质阳极氧化膜提高了35%。3.1.2微弧氧化微弧氧化处理后所得陶瓷层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3组成,不含有结晶水,表面陶瓷层与基体金属之间是以微冶金结合的,故具有高结合强度、优良热稳定性和耐热冲击性。试验结果表明:在25～300℃之间连续做100次冷淬试验后,在扫描电镜下放大1000倍未观察到裂纹和脱落现象;文献报道:在经受35次、300～25℃水淬试验和1300℃热冲击后,未因温度骤降而产生龟裂和膜层脱落。故该技术可用在铝合金的耐热表面处理。图7为经微弧氧化处理的增压式柴油机活塞燃烧室。该产品为某港资企业生产,采用微弧氧化处理后,厂商在印尼台架试验的综合评分由原工艺处理活塞的70分上升到95分。现某大型汽车制造公司已正式开始使用该技术对活塞燃烧室进行处理。3.1.3氧化铝陶瓷膜的厚度和击穿电压,是一个长微弧氧化陶瓷层由晶态Al2O3组成,α-Al2O3和γ-Al2O3的高阻抗特性以及陶瓷层的3层结构决定了微弧氧华陶瓷层的高绝缘性。北京师范大学低能核物理研究所曾用ρ(NaOH)=5g/L的NaOH溶液作为电解液,获得了厚度达300μm、绝缘电阻大于100MΩ的氧化铝陶瓷膜。据深圳华为公司测试的结果:氧化处理20min所得陶瓷层的击穿电压已达900V直流电,随着氧化时间的延长,陶瓷层的厚度不断增加,其击穿电压将大幅上升。所以该技术在电工材料上具有广阔的应用前景。3.1.4光学零部件状态微弧氧化表面存在大量的微孔,陶瓷层表面呈现亚光色泽,对外来光线呈漫反射状态,该特性特别适用于灯具、照相机配件和显微镜配件等等。现在有十几家厂商选用了该技术处理光学零部件。图9为TCL公司现在已经量产化的背投电视冷却腔,台架试验的结果为不仅使用寿命大大提高,图像清晰度也提高了20%。3.1.5微弧氧化cu、zn对于大部分的铸造铝合金,例如ADC12、ADC1、ADC3、ZL103等,由于含有较高含量的Si、Cu、Zn等元素,传统阳极氧化技术在这些材料上很难处理,而微弧氧化由于瞬间放电的高温作用,也可以把这些元素氧化,所以可以把这些高硅铸造合金的整个表面氧化。微弧氧化工艺的优点之一是可在铸造高硅铝合金表面进行陶瓷化处理,其简便的工艺和优良的陶瓷性能,是目前其它阳极氧化处理包括硬质阳极氧化所不及的。3.2镁合金的表面防腐镁合金具有密度小、比强度高等优点,但是还具有化学性质特别活泼的特性,在自然条件下极易与空气中的氧反应,形成的氧化膜疏松、多孔,不能保护内部金属不再受腐蚀。所以表面防腐是镁合金能得到广泛应用的关键一步。而镁合金微弧氧化陶瓷层的致密结构恰能达到提高其防腐性的作用,经微弧氧化处理后的镁合金盐雾试验48h均在9.8级以上。3.3钛合金在口腔修复技术中的应用钛合金因其具有高韧性、优良的耐腐蚀性能和生物兼容性而被应用于生物材料,而且自从1940年由Bothe等率先将其应用于医学领域以来,钛合金在骨科、整形外科、口腔等医学领域的应用日益广泛。从上世纪70年代末,生物材料科研工作者开始了钛合金在口腔修复的应用研究,发展十分迅速,加工制作方法也日益成熟,钛合金的临床应用逐渐增多,使得其目前成为一种有广阔应用前景的口腔修复生物金属材料。随着多种高强度硬质复合树脂系统的问世,又开始金属-树脂粘结修复方面的研究和应用,但金属-树脂间的结合强度一直未能满足临床要求,所以近年来科研工作者开始借助微弧氧化提高表面粗糙度以增强金属-树脂间的结合强度。3.4金属表面处理微弧氧化可处理氧化物为绝缘致密相的金属,故还可用于V、Nb、Zr等金属的表面处理。对于某些铝含量比较高的锌合金,也可用微弧氧化进行表面处理。另外微弧氧化技术还可与其它表面处理技术结合使用,制成复合材料。4微弧氧化技术的研究方向4.1微弧氧化过程的能量浪费微弧氧化的产能问题是限制该技术推广的一个主要原因。经过几年的努力,本课题组研制的设备一次性能够处理工件的最大表面积也仅为3m2。该问题的根源是能源利用率较低,纯铝及LC4铝合金微弧氧化过程中,总电流效率在10%～30%之间变化;总电能ΔW与转化为溶液热能ΔQ的比值ΔQ/ΔW在50%～80%之间变化。由此可知,在微弧氧化过程中,大量的能量浪费在溶液升温方面了。所以要广泛推广微弧氧化技术,还要提高设备的产能和能源利用率。4.2颜色对涂层体系的要求虽然微弧氧化解决了材料的防腐、耐磨等问题,但是微弧氧化能生产出的陶瓷层颜色还比较单一。到目前为止,可以量产的颜色大致有黑色、白色、灰色和咖啡色,颜色的单一大大限制了它的应用,特别是当把它应用到外观件时。为了满足各种颜色要求,参考镁合金零件涂层体系可知,通常采用的处理工序是氧化后再表面喷油。该工序对于一个企业,没有从根本上降低运行成本和改善工作环境。所以很有必要对微弧氧化陶瓷层的颜色进一步研究,以满足不同的外观要求。4.3不均匀性对表面粗糙度和粗糙度的影响微弧氧化陶瓷层具有表面存在大量微孔的本质属性,孔隙的大量存在和孔洞分布的不均匀性影响着其表面的光泽度和粗糙度。另外,微弧氧化