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剖析微弧氧化技术

发表时间:2020-04-02 19:27:30
在微弧氧化过程中,化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在,因此陶瓷层的形成过程非常复杂,至今还没有一个合理的模型能全面描述陶瓷层的形成。微弧氧化工艺将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域,克服了硬质阳极氧化的缺陷,极大地提高了膜层的综合性能。微弧氧化膜层与基体结合牢固,结构致密,韧性高,具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。该技术具有操作简单和易于实现膜层功能调节的特点,而且工艺不复杂,不造成环境污染,是一项全新的绿色环保型材料表面处理技术,在航空航天、机械、电子、装饰等领域具有广阔的应用前景。

原理特点

微弧氧化或微等离子体表面陶瓷化技术,是指在普通阳极氧化的基础上,利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应,从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化陶瓷膜的方法,是通过用专用的微弧氧化电源在工件上施加电压,使工件表面的金属与电解质溶液相互作用,在工件表面形成微弧放电,在高温、电场等因素的作用下,金属表面形成陶瓷膜,达到工件表面强化的目的。

微弧氧化技术的突出特点是:

(1)大幅度地提高了材料的表面硬度,显微硬度在1000至2000HV,最高可达3000HV,可与硬质合金相媲美,大大超过热处理后的高碳钢、高合金钢和高速工具钢的硬度;

(2)良好的耐磨损性能;

(3)良好的耐热性及抗腐蚀性。这从根本上克服了铝、镁、钛合金材料在应用中的缺点,因此该技术有广阔的应用前景;

(4)有良好的绝缘性能,绝缘电阻可达100MΩ。

(5)溶液为环保型,符合环保排放要求。

(6)工艺稳定可靠,设备简单.

(7)反应在常温下进行,操作方便,易于掌握。

(8)基体原位生长陶瓷膜,结合牢固,陶瓷膜致密均匀。

所需设备

1、输入电源:

采用三相380V电压。

2、微弧氧化电源

因电压要求较高(一般在510—700V之间),需专门定制。通常配备硅变压器。

电源输出电压:0—750V可调

电源输出最大电流:5A、10A、30A、50A、100A等可选。

3、微弧氧化槽及配套设施

槽体可选用PP、PVC等材质,外套不锈钢加固。可外加冷却设施或配冷却内胆。

4、挂具及阴极材料

挂具可选用铝或铝合金材质,阴极材料选用不溶性金属材料,推荐不锈钢。

微弧氧化槽液:

微弧氧化主要针对铝、镁、钛、锆、铌、铊等阀金属(阀金属是指在电解液中起到电解阀门作用的金属)。铝钛可选用同一种液体。

1.氧化液密度:不同液体有不同比重,大体比重在1.0—1.1不等。

2.氧化液工作电压:400V—750V。

3.电流密度:液体不同,工件电流密度不同。大体约:每平方分米0.01—0.1安培。但也有大电流情况出现,且超过每平方分米8安培。

4.微弧氧化时间:10—60分钟,时间越长,膜层越致密,但粗糙度也增加。

5.液体酸碱度:碱性,PH通常为8—13

6.微弧氧化工艺流程:

去油 ---- 水洗 ---- 微弧氧化 ---- 纯水洗 ---- 封闭

影响因素

工件材质及表面状态

(1)微弧氧化对铝材要求不高,不管是含铜或是含硅的难以阳极氧化铝合金,只要阀金属比例占到40%以上,均可用于微弧氧化,且能得到理想膜层。

(2)表面状态一般不需要经过抛光处理,对于粗糙的表面,经过微弧氧化,可修复的平整光滑;对于粗糙度低(即光滑)的表面,则会增加粗糙度。

2.液体成分对氧化造成的影响

电解液成分是得到合格膜层的关键因素。微弧氧化液一般选用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。在相同的微弧电解电压下,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.温度对微弧氧化的影响

微弧氧化与阳极氧化不同,所需温度范围较宽。一般为10—90度。温度越高,成膜越快,但粗糙度也增加。且温度高,会形成水气。一般建议在20—60度。由于微弧氧化以热能形式释放,所以液体温度上升较快,微弧氧化过程须配备容量较大的热交换制冷系统以控制槽液温度。

4.时间对微弧氧化的影响

微弧氧化时间一般控制在10~60min。氧化时间越长,膜的致密性越好,但其粗糙度也增加。

5.阴极材料

阴极材料可选用不锈钢,碳钢,镍等,可将上述材料悬挂使用或做成阴极槽体。

6.后处理对微弧氧化的影响

微弧氧化过后,工件可不经过任何处理直接使用,也可进行封闭,电泳,抛光等后续处理。

使用范围

采用微弧氧化技术对铝及其合金材料进行表面强化处理,具有工艺过程简单,占地面积小,处理能力强,生产效率高,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重复使用率高,因而对环境污染小,满足优质清洁生产的需要,也符合我国可持续发展战略的需要。微弧氧化处理后的铝基表面陶瓷膜层具有硬度高(HV>1200),耐蚀性强(CASS盐雾试验>480h),绝缘性好(膜阻>100MΩ),膜层与基底金属结合力强,并具有很好的耐磨和耐热冲击等性能。微弧氧化技术工艺处理能力强,可通过改变工艺参数获取具有不同特性的氧化膜层以满足不同目的的需要;也可通过改变或调节电解液的成分使膜层具有某种特性或呈现不同颜色;还可采用不同的电解液对同一工件进行多次微弧氧化处理,以获取具有多层不同性质的陶瓷氧化膜层。

由于微弧氧化技术具有上述优点和特点,因此在机械,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的应用前景。主要可用于对耐磨、耐蚀、耐热冲击、高绝缘等性能有特殊要求的铝基零部件的表面强化处理;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的铝基材的表面处理;还可用于常规阳极氧化不能处理的特殊铝基合金材料的表面强化处理。例如,汽车等各车辆的铝基活塞,活塞座,汽缸及其他铝基零部件;机械、化工工业中的各种铝基模具,各种铝罐的内壁,飞机制造中的各种铝基零部件如货仓地板,滚棒,导轨等;以及民用工业中各种铝基五金产品,健身器材等。

微弧氧化技术目前仍存在一些不足之处,如工艺参数和配套设备的研究需进一步完善;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措施;以及电解液温度上升较快,需配备较大容量的制冷和热交换设备。

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