解析铝合金表面微弧氧化与阳极氧化工艺

解析铝合金表面微弧氧化与阳极氧化工艺

胡明威1尹良志2

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摘要：随着国防工业的需要，对铝合金材料的抗腐蚀、高强度和高硬度等性能提出了更高的要求。铝合金材料表面氧化处理逐渐发展起来，其中以铝基材料阳极氧化与微弧氧化为主要的处理工艺，两种氧化工艺处理后的基体材料表面原位生成一层致密均匀的氧化层，该陶瓷层具有与基体结合牢固、结构致密、具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘特性等，因而具有更加广阔的应有前景。本文就从铝合金表面微弧氧化与阳极氧化工艺展开分析。

关键词：铝合金表面；微弧氧化；阳极氧化；工艺

1、工艺机理及特点

1.1阳极氧化工艺机理及其特点

阳极氧化工艺是在电解槽中，通过电化学反应，以Al基材料为阳极，酸性（H2SO4）为主要电解液，通电反应，在电化学与化学溶解两个过程同时作用下直接在基体材料表面生成致密的Al2O3，其工艺过程是膜层生成与溶解的一个动态平衡过程。通过调整工艺参数，可制备出厚度5-80um的陶瓷层，其陶瓷层不同于自然氧化而成的非晶态氧化膜，其陶瓷层孔隙率低，致密均匀，因此表现出更优的膜层性能。阳极氧化工艺按其电流型式可分有：直流电阳极氧化；交流电阳极氧化；以及脉冲电流阳极氧化。按电解液分有：硫酸、草酸、铬酸、为主溶液的自然着色阳极氧化。按膜层性质分有：普通膜（5~15）、硬质膜（40~80）、半导体作用的阻挡层等阳极氧化法。其中直流电（H2SO4）阳极化在生产中应用最多，实践证明（H2SO4）阳极氧化适用于铝基材料表面处理；可改变时间及温度制备出不同厚度膜层，膜层物理吸附能力强易着色；同时处理电压（15~25）V较低，不必调整电压周期温度也易控制；便于生产自动化及操作简便化。

1.2微弧氧化工艺机理及其特点

微弧氧化工艺是在弱碱性溶液中，通过高压，化学及电化学和等离子体放电作用，在基体材料表面生成一层以其金属氧化物为主具有陶瓷性能的保护性氧化膜。初始阶段与阳极氧化工艺类似，随着电压增大，其反应进入火花、微弧和弧光放电这三个阶段。随电压增大，电流密度增大，膜层较薄区域被击穿从而生长出新的膜层。随着反应不断的进行，因此基体材料表面膜层厚度是相对均匀的。同时由于等离子放电区瞬时温度很高，最高可达到7000K，导致表面Al2O3膜层发生晶态结构转变，又因为反应属于原位生成，陶瓷层与基体结合强度较高。该陶瓷层硬度高、高耐磨、耐腐蚀、抗氧化能力突出、绝缘性好，特别适用于高速运动且需要高耐磨、耐腐蚀、抗高温冲击的轻金属合金零部件。在航空、航天、兵器、汽车、船舶、等许多方面应用最为广泛。微弧氧化技术的突出特点是：①提高了材料的表面硬度，膜层显微硬度在1000~3000HV，超过热处理后的高碳钢的硬度；②耐磨损性、耐热性及抗腐蚀性特点突出。弥补了铝镁合金在实际中应用不足之处；③电绝缘性好；④结合强度高，膜层厚度均匀致密，孔隙率低。

1.3工艺过程对比

微弧氧化工艺过程相对简单，其过程如下：铝、镁、钛材料－化学除油－清洗－微弧氧化－封闭。阳极氧化工艺过程相对复杂，过程繁琐，以硫酸阳极氧化为例，其分为两种，普通和硬质硫酸阳极氧化，氧化完毕后的工件通常要做着色与封闭处理，以提高其耐腐蚀性，整个工艺流程如下：铝基材料－化学除油－碱蚀-清洗－出光处理－清洗－（H2SO4）硬质阳极氧化－清洗－着色－封闭（K2Cr2O7）。

2、氧化层性能对比

从下图1可看出，微弧氧化相比阳极氧化工艺而言，其生成陶瓷层硬度高、韧性好、空隙率低，耐腐蚀性好等特点，膜层的柔韧性较好，并且与基体材料的结合强度较大，因此不易剥落，而阳极化后的膜层因为其存在尖边缺陷，膜层脆性较大。

图1微弧氧化与阳极氧化生成膜层性能比较

3、工艺条件及产物对比

微弧氧化反应可在常温下进行，只需要高电压，大电流，设备简单，操作方便，工艺稳定性高，其反应采用弱碱性电解液，反应过程中只消耗活性（O2-）离子，反应速率较快（10~30）min，反应的产物无害气体，生产废水不含贵金属离子，基本接近零污染，符合环保部门排放要求。硫酸阳极氧化工艺分为两种，硬质阳极氧化与普通阳极氧化，两者制备过程相似复杂，操作步骤较为繁琐，其工艺通常采用较低直流电压（10~25）V，较小的电流密度（1~1.5）A/dm2，反应温度（-5~20）度左右，工艺成膜时间较长（30~80）min，电解质为酸性溶液，其反应类型属于消耗性反应，阳极化完毕后的着色与封闭溶液中含有大量（Ni，Cr，Go）等重金属离子，并且采用高温（＞90度）封闭，封闭剂（K2Cr2O7）在高温条件下会挥发出有害气体，生产环境相对苛刻，因此，废液必须经过特殊处理后符合环保要求才能排放，否则会造成重金属离子污染。

4、表面氧化工艺发展前景

近十年来，我国的铝氧化着色工艺技术发展较快，很多工厂已采用了新的工艺技术，并且在实际生产中积累了丰富的经验。本文通过比较阳极氧化与微弧氧化的工艺过程，特点以及反应产物对比可知，微弧氧化技术在各个层面都较前者优异，其工艺简单、膜层性能优越、无污染等优点具有很大的实用价值。阳极氧化由于膜层的性能因而目前大部分应用集中在装饰及涂装底层及对耐磨性、抗腐蚀性要求不高等场合，并且其工艺过程复杂及废液污染性较高，从而在其基础上发展出新的表面处理工艺。弧氧化作为一种在阳极化基础上发展而来的一种表面处理技术，其所表现出的特点逐渐被人们所认可，其生产过程安全可靠，操作性不高，环保等优点解决了国家环保部门对表面处理行业的环保要求，微弧氧化生成的陶瓷氧化层具备更优的性能特点，逐渐在工业生产中替代传统的阳极氧化工艺，特别适用于一些对耐磨性及抗腐蚀性有特殊要求的区域，但目前微弧氧化工艺研究还不是非常成熟，真正投入到生产中的不多。但其作为一种环保型表面处理工艺的一种，会在以后生产逐渐替代阳极化表面处理工艺，环保型表面处理已成为一种大趋势，有着广泛的应用前景。

结束语

微弧氧化与阳极氧化工艺有着相似的工艺过程，但两者在成膜机理、工艺特点、氧化膜的性能及应用等诸多方面都有所不同，以微弧氧化原位生成的陶瓷膜层性能更为突出，工艺排放废液污染小，生产条件环保，因此环保型表面处理工艺已成为新的趋势，新型环保型氧化技术会逐渐替代传统阳极氧化工艺。

参考文献：

[1]石玉龙.氢氧化钠电解液中铝合金的微弧氧化[J].新工艺新技术，2012.

[2]段关文.铝合金微弧氧化工艺研究[J].表面技术，2017.

[3]张宏伟，姜书根.铝合金微弧氧化工艺的研究[J].沈阳理工大学学报.2011.

[4]段关文.微弧氧化研究进展[J].兵器材料科学与工程.2010.