铝及铝合金的微弧阳极氧化

铝及铝合金的微弧氧化(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，从而在铝及铝合金表面形成优质的强化陶瓷膜的方法，达到强化工件表面的目的。微弧阳极氧化又称为阳极脉冲陶瓷化、阳极火花沉积或微等离子体氧化。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。氧化液为环保型，工艺流程简单，操作方便，设备简易，适用范围广，除铝及铝合金、铝基复合材料外，还能在钛、镁、铌等金属及其合金表面生成氧化陶瓷层。

微弧阳极氧化技术的特点及应用
微弧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，氧化速度快，可大幅度提高材料的表面硬度，膜层有良好的结合力、耐磨性、耐热性、绝缘性及抗腐蚀性，适于较复杂零件及内表面的强化处理。采用微弧氧化技术对铝及铝合金材料进行表面强化处理与硬质阳极氧化相比，无论在氧化工艺上或膜层性能上都有许多优越之处。表7-8为微弧氧化与阳极氧化技术的比较。
微弧氧化工艺处理能力强，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。微弧阳极氧化新技术问世以来，虽尚未投入大规模生产，但已引起人们的普遍关注，在许多工业领域有广阔的应用前景。

微弧氧化与阳极氧化技术比较

微弧氯化膜层应用领域

微弧阳极氧化技术的原理
铝及铝合金等样品放人电解液中，通电后金属表面立即生成很薄一层氧化物绝缘膜。形成完整的绝缘膜是进行微弧氧化处理的必要条件。当样品上施加的电压超过某一临界值时，这层绝缘膜上某些薄弱环节被击穿，发生微弧放电现象，浸在溶液里的样品表面可以看到无数个游动的弧点或火花。因为击穿总是在氧化膜相对薄弱部位发生，因此最终生成的氧化膜是均匀的。每个弧点存在时间很短，但等离子体放电区瞬间温度很高，在此区域内金属及其氧化物发生熔化，使氧化物产生结构变化。微弧氧化不同于常规的阳极氧化技术，它在工作中使用较高电压，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，因此陶瓷氧化膜的形成过程非常复杂，至今还没有一个合理的模型全面描述陶瓷膜的形成。

微弧阳极氧化工艺
铝及铝合金材料的微弧氧化技术工艺流程主要包括铝基材料的前处理、微弧氧化、后处理三部分。其工艺流程为：铝基工件一化学除油一清洗一微弧氧化一清洗一后处理一成品检验。

(1)合金材料及表面状态的影响
微弧氧化技术对铝基工件的合金成分及表面状态要求不高，对一些普通阳极氧化难以处理的铝合金材料，如含铜、高硅铸铝合金等均可进行微弧氧化处理。一般不需进行表面抛光处理，对于粗糙度较高的工件，经微弧氧化处理后表面得到修复变得更均匀平整；而对于粗糙度较低的工件，经微弧氧化后，表面粗糙度有所提高。

铝及铝合金微弧氧化电解液组成及工艺条件

(2)电解质溶液及其组分的影响
微弧氧化电解液是获得合格膜层的技术关键。溶液配方应有利于维护氧化膜及随后形成的陶瓷氧化层的电绝缘性，又有利于抑制微弧氧化产物的溶解。不同的电解液成分及氧化工艺参数，所得膜层的性质也不同。微弧氧化电解液多采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)，其在溶液中的存在形式最好是胶体状态。溶液的pH值一般在9～13之间。根据膜层性质的需要，可添加一些有机或无机盐类作为辅助添加剂。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)氧化电压及电流密度的影响
微弧氧化电压和电流密度的控制对获取合格膜层同样至关重要。不同的铝基材料和不同的氧化电解液，具有不同的微弧放电击穿电压(击穿电压：工件表面刚刚产生微弧放电的电解电压)，微弧氧化电压一般控制在大于击穿电压几十至上百伏的条件下进行。氧化电压不同，所形成的陶瓷膜性能、表面状态和膜厚不同，根据对膜层性能的要求和不同的工艺条件，微弧氧化电压可在200～600V范围内变化。选用工作电压的原则是既要保证在氧化过程中尽可能长时间地维持发育良好的火花或电弧现象，又要防止电压过高而引发破坏性电弧的出现。

微弧氧化可采用控制电压法或控制电流法进行，控制电压进行微弧氧化时，电压一般分段控制，即先在一定的阳极电压下使铝基表面形成一定厚度的绝缘氧化膜层；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到控制值时，通过的氧化电流一般都较大，可达l0A／dm2左右，随着氧化时间的延长，陶瓷氧化膜不断形成与完善，氧化电流逐渐减小，最后小于1A／dm2。氧化电压的波形对膜层性能有一定影响，可采用直流、锯齿或方波等电压波形。采用控制电流法较控制电压法工艺操作上更为方便，控制电流法的电流密度一般为2～8A／dm2。控制电流氧化时，氧化电压开始上升较快，达到微弧放电时，电压上升缓慢，随着膜的形成，氧化电压又较快上升，最后维持在一较高的电解电压下。
(4)温度与搅拌的影响
与常规的铝阳极氧化不同，微弧氧化电解液的温度允许范围较宽，可在10～90℃条件下进行。温度越高，工件与溶液界面的水汽化越厉害，膜的形成速度越快，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的温度一般控制在20～60℃范围。由于微弧氧化的大部分能量以热能的形式释放，其氧化液的温度上升较常规铝阳极氧化快，故微弧氧化过程需配备容量较大的热交换制冷系统以控制槽液温度。虽然微弧氧化过程工件表面有大量气体析出，对电解液有一定的搅拌作用，但为保证氧化温度和体系组分的均一，一般都配备机械装置或压缩空气对电解液进行搅拌。

(5)氧化时间的影响
微弧氧化时间一般控制在10～60min。时间越长，膜的致密性越好，但其粗糙度增加。 (6)阴极材料
微弧氧化的阴极材料采用不溶性金属材料。由于微弧氧化电解液多为碱性液，故阴极材料可采用碳钢、不锈钢或镍，其方式可采用悬挂或以上述材料制作的电解槽作为阴极。
铝基工件经微弧氧化后可不经后处理直接使用，也可对氧化后的膜层进行封闭、电泳涂装、机械抛光等后处理，以进一步提高膜的性能。