铝及铝合金的微弧氧化技术.doc

铝及铝合金微弧氧化技术
1．技术内容及技术关键
（1）微弧氧化技术内容和工艺步骤
铝及铝合金材料微弧氧化技术内容关键包含铝基材料前处理; 微弧氧化; 后处理三部分。其工艺步骤以下: 铝基工件→化学除油→清洗→微弧氧化→清洗→后处理→成品检验。
（2）微弧氧化电解液组成及工艺条件
例1.电解液组成: K2SiO3 5～10g/L, Na2O2 4～6g/L, NaF 0.5～1g/L, CH3COONa 2～3g/L, Na3VO3 1～3g/L; 溶液pH为11～13; 温度为20～50℃; 阴极材料为不锈钢板; 电解方法为先将电压快速上升至300V, 并保持5～10s, 然后将阳极氧化电压上升至450V, 电解5～10min。例2两步电解法, 第一步: 将铝基工件在200g/LK2O·nSiO2（钾水玻璃）水溶液中以1A/dm2阳极电流氧化5min; 第二步: 将经第一步微弧氧化后铝基工件水洗后在70g/LNa3P2O7水溶液中以1A/dm2阳极电流氧化15min。阴极材料为: 不锈钢板; 溶液温度为20～50℃。
（3）影响原因
①合金材料及表面状态影响: 微弧氧化技术对铝基工件合金成份要求不高, 对部分一般阳极氧化难以处理铝合金材料, 如含铜、 高硅铸铝合金均可进行微弧氧化处理。对工件表面状态也要求不高, 通常不需进行表面抛光处理。对于粗糙度较高工件, 经微弧氧化处理后表面得到修复变得更均匀平整; 而对于粗糙度较低工件, 经微弧氧化后, 表面粗糙度有所提升。
②电解质溶液及其组分影响: 微弧氧化电解液是获到合格膜层技术关键。不一样电解液成份及氧化工艺参数, 所得膜层性质也不一样。微弧氧化电解液多采取含有一定金属或非金属氧化物碱性盐溶液（如硅酸盐、 磷酸盐、 硼酸盐等）, 其在溶液中存在形式最好是胶体状态。溶液pH范围通常在9～13之间。依据膜层性质需要, 可添加部分有机或无机盐类作为辅助添加剂。在相同微弧电解电压下, 电解质浓度越大, 成膜速度就越快, 溶液温度上升越慢, 反之, 成膜速度较慢, 溶液温度上升较快。
③氧化电压及电流密度影响: 微弧氧化电压和电流密度控制对获取合格膜层一样至关关键。不一样铝基材料和不一样氧化电解液, 含有不一样微弧放电击穿电压（击穿电压: 工件表面刚刚产生微弧放电电解电压）, 微弧氧化电压通常控制在大于击穿电压几十至上百伏条件进行。氧化电压不一样, 所形成陶瓷膜性能、 表面状态和膜厚不一样, 依据对膜层性能要求和不一样工艺条件, 微弧氧化电压可在200～600V范围内改变。微弧氧化可采取控制电压法或控制电流法进行, 控制电压进行微弧氧化时, 电压值通常分段控制, 即先在一定阳极电压下使铝基表面形成一定厚度绝缘氧化膜层; 然后增加电压至一定值进行微弧氧化。当微弧氧化电压刚刚达成控制值时, 经过氧化电流通常都较大, 可达10A/dm2左右, 伴随氧化时间延长, 陶瓷氧化膜不停形成与完善, 氧化电流逐步减小, 最终小于1A/dm2。氧化电压波形对膜层性能有一定影响, 可采取直流、 锯齿或方波等电压波形。采取控制电流法较控制电压法工艺操作上更为方便, 控制电流法电流密度通常为2～8A/dm2。控制电流氧化时, 氧化电压开始上升较快, 达成微弧放电时, 电压上升缓慢, 伴随膜形成, 氧化电压又较快上升, 最终维持在一较高电解电压下。
④温度与搅拌影响: 与常规铝阳极氧化不一样, 微弧氧化电解液温度许可范围较宽, 可在10～90℃条件下进行。温度越高, 工件与溶液界面水气化越厉害, 膜形成速度越快, 但其粗糙度也随之增加。同时温度越高, 电解液蒸发也越快, 所以微弧氧化电解液温度通常控制在20～60℃范围。因为微弧氧化大部分能量以热能形式释放, 其氧化液温度上升较常规铝阳极氧化快, 故微弧氧化过程须配置容量较大热交换制冷系统以控制槽液温度。即使微弧氧化过程工件表面有大量气体析出, 对电解液有一定搅拌作用, 但为确保氧化温度和体系组分均一, 通常都配置机械装置或压缩空气对电解液进行搅拌。
⑤微弧氧化时间影响: 微弧氧化时间通常控制在10～60min。氧化时间越长, 膜致密性越好, 但其粗糙度也增加。
⑥阴极材料: 微弧氧化阴极材料采取不溶性金属材料。因为微弧氧化电解液多为碱性液, 故阴极材料可采取碳钢, 不锈钢或镍。其方法可采取悬挂或以上述材料制作电解槽作为阴极。
（4）微弧氧化设备
①微弧氧化电源设备是一个高压大电流输出特殊电源设备, 输出电压范围通常为0～600V; 输出电流容量视加工工件表面积而定, 通常要求6～10A/dm2。电源要设置恒电压和恒电流控制装置, 输出波形视工艺条件可为直流、 方波、 锯齿波等波形。
②热交换和制冷设备。因为微弧氧化过程中工件表面含有较高氧化电压并经过较大电解电流, 使产生热量大部分集中于膜层界面处, 而影响所形成膜层质量, 所以微弧氧化必需使用配套热交换制冷设备, 使电解液立刻冷却, 确保微弧氧化在设置温度范围内进行。可将电解液采取循环对流冷却方法进行, 既能控制溶液温度, 又达成了搅拌电解液目。
（5）膜层质量检测
微弧氧化陶瓷膜层质量检测现在无专门标准, 可采取铝常规阳极氧化膜层性能检测标准。
2．优缺点及使用范围
采取微弧氧化技术对铝及其合金材料进行表面强化处理, 含有工艺过程简单, 占地面积小, 处理能力强, 生产效率高, 适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反复使用率高, 所以对环境污染小, 满足优质清洁生产需要, 也符合中国可连续发展战略需要。微弧氧化处理后铝基表面陶瓷膜层含有硬度高（HV＞1200）, 耐蚀性强（CASS盐雾试验＞480h）, 绝缘性好（膜阻＞100MΩ）, 膜层与基底金属结协力强, 并含有很好耐磨和耐热冲击等性能。微弧氧化技术工艺处理能力强, 可经过改变工艺参数获取含有不一样特征氧化膜层以满足不一样目需要; 也可经过改变或调整电解液成份使膜层含有某种特征或展现不一样颜色; 还可采取不一样电解液对同一工件进行数次微弧氧化处理, 以获取含有多层不一样性质陶瓷氧化膜层。
因为微弧氧化技术含有上述优点和特点, 所以在机械, 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应用前景。关键可用于对耐磨、 耐蚀、 耐热冲击、 高绝缘等性能有特殊要求铝基零部件表面强化处理; 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铝基材表面处理; 还可用于常规阳极氧化不能处理特殊铝基合金材料表面强化处理。比如, 汽车等各车辆铝基活塞, 活塞座, 汽缸及其她铝基零部件; 机械、 化工工业中多种铝基模具, 多种铝罐内壁, 飞机制造中多种铝基零部件如货仓地板, 滚棒, 导轨等; 以及民用工业中多种铝基五金产品, 健身器材等。
微弧氧化技术现在仍存在部分不足之处, 如工艺参数和配套设备研究需深入完善; 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方法; 以及电解液温度上升较快, 需配置较大容量制冷和热交换设备。