掃描式微弧氧化技術(shù)的研究

呂鵬翔,狄士春

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

1 微弧氧化技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)30年代初期,Gunterschulze和Betz[1]首次報(bào)道了在高電場(chǎng)下浸在液體里的金屬表面出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象,火花對(duì)氧化膜具有破壞作用。后來(lái)研究發(fā)現(xiàn),利用此現(xiàn)象也可制成氧化膜,并最初應(yīng)用在鎂合金的防腐上[2]。從20世紀(jì)70年代開始,美國(guó)、德國(guó)和前蘇聯(lián)都開始研究該技術(shù)。美國(guó)伊利諾大學(xué)和德國(guó)卡爾馬克思工業(yè)大學(xué)的研究人員用直流或單相脈沖電源模式研究了Al、Ti等閥金屬火花放電沉積膜,并分別命名為陽(yáng)極火花沉積[3-4]和火花放電陽(yáng)極氧化[5-6]。俄羅斯無(wú)機(jī)化學(xué)研究所的研究人員在1977年獨(dú)立發(fā)表了一篇論文,開始了該技術(shù)的研究。他們采用交流電壓模式,使用的電壓比火花放電陽(yáng)極氧化高,并稱之為微弧氧化[3-6]。德國(guó)學(xué)者Kurze利用火花放電在純鋁表面獲得含α-Al2O3的硬質(zhì)膜層,使微弧氧化技術(shù)有了很大進(jìn)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái),美、德、俄、日等國(guó)都加快了這方面的研究和開發(fā)工作。從研究規(guī)模和水平上來(lái)看,俄羅斯占據(jù)一定優(yōu)勢(shì),一直處于世界領(lǐng)先地位,在機(jī)理研究上提出一套較完整的理論,目前已開始進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)讓和設(shè)備輸出。其他如美、德等國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上的研究及應(yīng)用也有較高的水平。各國(guó)的參與不僅擴(kuò)大了該技術(shù)在國(guó)際上的影響,同時(shí)也促進(jìn)了微弧氧化技術(shù)的工藝類型多樣化、處理對(duì)象種類的增多及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。

我國(guó)從20世紀(jì)90年代開始關(guān)注此技術(shù),在引進(jìn)吸收俄羅斯技術(shù)的基礎(chǔ)上,目前已從醞釀與探索階段進(jìn)入到深入研究與應(yīng)用開發(fā)階段,某些研究成果已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。北京師范大學(xué)低能核物理研究所對(duì)鋁合金微弧氧化陶瓷層的制備過程、能量交換、膜的形貌結(jié)構(gòu)及應(yīng)用等都做了有益的探討[7-10]。哈爾濱環(huán)亞微弧技術(shù)有限公司已由試驗(yàn)掌握階段轉(zhuǎn)向小批試生產(chǎn),并已建成一條半自動(dòng)化生產(chǎn)線[11]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員用等離子增強(qiáng)電化學(xué)表面處理技術(shù)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行陶瓷化處理,對(duì)生成的陶瓷膜層進(jìn)行研究,分析了其成膜過程和機(jī)理。燕山大學(xué)材料化工學(xué)院等還用低碳鋼表面熱浸鍍Al2Si合金后、進(jìn)行微弧氧化的方法獲得復(fù)合膜層,該膜層具有耐熱、耐磨性,提高了鋼的耐蝕性,為鋼材及微弧氧化技術(shù)的應(yīng)用開拓了廣闊的前景。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)微弧氧化膜的化學(xué)成分及相結(jié)構(gòu)從基體到膜表面的分布規(guī)律及電流密度、氧化時(shí)間、電壓、電解液組分等因素對(duì)陶瓷膜生長(zhǎng)和性能的影響規(guī)律等都作了大量總結(jié)?？傮w來(lái)講,國(guó)外研究水平整體高于國(guó)內(nèi),但無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外現(xiàn)在都沒有進(jìn)入大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用階段,主要深入了解并掌握該技術(shù),進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,還需對(duì)微弧氧化的形成機(jī)理以及氧化膜的性能作進(jìn)一步研究;并對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中遇到的大面積工件加工、節(jié)能環(huán)保和適合生產(chǎn)成膜效率作進(jìn)一步研究。隨著人們對(duì)微弧氧化技術(shù)的不斷深入研究以及該技術(shù)日益表現(xiàn)出來(lái)的卓越優(yōu)點(diǎn),微弧氧化技術(shù)在表面技術(shù)領(lǐng)域會(huì)備受重視,并在實(shí)際應(yīng)用中得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。

2 掃描式微弧氧化技術(shù)的原理和特點(diǎn)

2.1 掃描式微弧氧化技術(shù)原理

掃描式微弧氧化技術(shù)與傳統(tǒng)微弧氧化技術(shù)生成陶瓷膜的機(jī)理是相同的,都是把工件接在電源陽(yáng)極上,使加在陰陽(yáng)兩極上的電壓超出陽(yáng)極氧化法拉第區(qū)后,利用陰陽(yáng)兩極間的電解質(zhì)溶液的導(dǎo)通而在工件上產(chǎn)生微弧等離子體放電,進(jìn)而生成具有一定功能的陶瓷膜。傳統(tǒng)微弧氧化技術(shù)一般是將工件接在電源陽(yáng)極上,使工件整體或局部浸沒在工作液中,盛裝工作液的槽體與陰極相接,使陰極面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工件表面積,從而在通電加工時(shí)能產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)。而掃描式微弧氧化技術(shù)打破了傳統(tǒng)微弧氧化技術(shù)的加工布局方式。首先,將接于陽(yáng)極的工件安裝在具有X-Y方向的兩軸導(dǎo)軌上;其次,將陰極轉(zhuǎn)化成直徑細(xì)小的掃描端,使陰極指向工件的待加工表面,并保持掃描端與陽(yáng)極表面具有一定的放電間隙;再次,使工作液沿陰極循環(huán)流向工件表面;最后,使陰極在待加工工件表面掃描生成陶瓷膜。

2.2 掃描式微弧氧化技術(shù)特點(diǎn)

盡管掃描式微弧氧化技術(shù)與傳統(tǒng)微弧氧化技術(shù)生成陶瓷膜的機(jī)理是相同的,但在具體加工方式上的變化,使掃描式微弧氧化技術(shù)擁有十分突出的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。由于陰極掃描端很小,使實(shí)時(shí)放電加工的面積很小,因而實(shí)時(shí)消耗的電功率也很小,這就使小功率微弧氧化電源設(shè)備加工大面積工件成為可能,為大面積工件的微弧氧化提出了一種解決方案。由于兩極之間的距離相對(duì)較小,使電場(chǎng)高度集中在很小的空間內(nèi),而電流相對(duì)較大,使掃描加工過程中電場(chǎng)的穿透能力很強(qiáng),因此掃描加工的成膜效率特別高。借助于陰極的掃描,可對(duì)工件表面特定區(qū)域的工作部位或?qū)μ厥鈭D形的工作部位進(jìn)行加工,而不需對(duì)非加工面進(jìn)行嚴(yán)格的保護(hù),同時(shí)又節(jié)約了能源。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)采用 80 mm×80 mm×0.2 mm的方形LY12鋁合金薄板作為加工工件。首先對(duì)工件進(jìn)行清潔處理,然后用去離子水清洗,具體工藝流程見圖1。

圖1 微弧氧化加工工藝流程

電解液采用硅酸鹽體系溶液,并利用潛水泵進(jìn)行循環(huán)供應(yīng)。電源采用雙極性微弧氧化脈沖電源,陰極采用不銹鋼材料制成的小電極。電解液從陰極流下,連續(xù)沖刷到被加工工件表面,形成穩(wěn)定的液流柱,提供穩(wěn)定放電環(huán)境。加工工藝參數(shù)見表1。

表1 掃描式微弧氧化工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)開始時(shí),并無(wú)明顯現(xiàn)象,直至電壓升到350 V左右時(shí),工件表面開始有氣泡產(chǎn)生。當(dāng)電壓提高到450 V左右時(shí),鋁合金表面產(chǎn)生的絕緣膜被擊穿,并產(chǎn)生微電弧(電火花)放電,此時(shí)電流電壓的關(guān)系已突破傳統(tǒng)的法拉第區(qū),達(dá)到弧光發(fā)電區(qū),可看到表面上有很多白色的細(xì)小火花亮點(diǎn)此起彼伏,連續(xù)、交替、轉(zhuǎn)移放電。當(dāng)電壓升高到500 V時(shí),微電弧火花放電的亮點(diǎn)成為白色,更大更粗,且伴有連續(xù)的“咝咝”放電聲。此時(shí),微電弧火花放電使鋁合金表面中熔融鋁原子與工作液中氧原子發(fā)生電、物理、化學(xué)反應(yīng)結(jié)合而成Al2O3陶瓷層。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,火花逐漸向外擴(kuò)散,被氧化表面的顏色越來(lái)越深,呈深棕色。通過觀察發(fā)現(xiàn),當(dāng)陰極相對(duì)被加工工件表面進(jìn)行移動(dòng)時(shí),微弧放電區(qū)域由已加工區(qū)域移動(dòng)到未加工的純鋁表面區(qū)域,火花明顯變強(qiáng)烈且更密集。究其原因,是因?yàn)橐鸭庸み^的區(qū)域有陶瓷氧化膜產(chǎn)生,具有高絕緣性,使其抗電壓擊穿能力增強(qiáng),因而使加工過程中放電產(chǎn)生火花的密集和激烈程度相對(duì)較弱。采用上述掃描式微弧氧化方法加工出的具有“蛇形”和“HIT”圖案的氧化薄膜見圖2。

圖2 掃描式微弧氧化生成膜

上述兩種薄膜均是經(jīng)一次掃描微弧氧化加工完成的,經(jīng)測(cè)量平均膜厚為10 μ m,掃描速度為 10 mm/min。上述掃描式微弧氧化加工陶瓷膜的過程中,電壓為620 V左右,電流為2 A,而現(xiàn)有微弧氧化技術(shù)加工時(shí)的電壓為540 V,電流為10～15 A。因此,掃描式微弧氧化技術(shù)在加工過程中消耗的功率相對(duì)較小。且掃描式微弧氧化生成陶瓷膜以10 mm/min的速度進(jìn)行,在不重復(fù)掃描的情況下,生成陶瓷膜的厚度為10 μ m左右,所以,掃描式微弧氧化技術(shù)生成陶瓷膜的效率很高。原因是:加工過程中,陰極的橫截面積很小致使電流密度高,能量高度集中在陰極和被加工工件之間,加快了氧化膜的生成速度,因而氧化膜的生成效率很高。掃描式微弧氧化技術(shù)消耗的總功率相對(duì)較小,但把能量全部集中在小面積區(qū)域,從而提高了小面積內(nèi)氧化膜的生成效率,因此,可實(shí)現(xiàn)以小功率電源掃描微弧氧化加工大面積的工件,解決現(xiàn)有微弧氧化加工大面積工件難的問題。

3.1 放電間隙對(duì)放電電壓的影響

掃描式微弧氧化加工過程中,放電間隙對(duì)放電電壓的影響較大,圖3是不同的放電間隙與放電電壓之間的關(guān)系曲線。

圖3 放電間隙對(duì)放電電壓的影響

從圖3可看出,隨著電極高度的升高,起弧電壓、穩(wěn)定工作電壓和出現(xiàn)放電聲時(shí)的電壓也升高。在掃描式微弧氧化中,放電參數(shù)之間的關(guān)系為:

式中:E為電場(chǎng)強(qiáng)度,V/m;U為電動(dòng)勢(shì),V;d為陰陽(yáng)極之間的距離,m。

從式(1)可看出,當(dāng)放電間隙變大時(shí),場(chǎng)強(qiáng)變?nèi)?能量減小,因而為了獲得足夠的能量,需提高放電電壓。

3.2 掃描次數(shù)對(duì)生成陶瓷膜厚度的影響

掃描次數(shù)對(duì)生成陶瓷膜厚度有直接的影響,圖4是當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),掃描次數(shù)與氧化陶瓷膜厚度的關(guān)系曲線。從圖4可看出,隨著掃描次數(shù)的增加,氧化陶瓷膜的厚度增加,但增加的幅度越來(lái)越小,到最后第4、第5遍掃描時(shí),膜厚增加很小,只有4 μ m和 2 μ m。原因是隨著掃描加工的進(jìn)行,氧化膜變厚;氧化膜具有高電阻特性,從而阻止陰陽(yáng)極之間的放電,阻礙了放電擊穿,因此阻礙了氧化膜的生成。所以隨著掃描次數(shù)增加,膜層厚度增加的幅度越來(lái)越小。

圖4 掃描次數(shù)對(duì)陶瓷膜厚度的影響

此外,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)掃描3次以上的氧化膜層出現(xiàn)了疏松層。刮掉疏松層后,則露出了致密層,說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)加工出的膜層具有一定硬度,同時(shí)還具有防腐性能。而微弧氧化加工出的防腐膜硬度很低,且膜層薄。掃描式微弧氧化采用小電極作為陰極,能量高度集中在小電極與工件之間,因而電場(chǎng)強(qiáng)度大,電壓擊穿能力強(qiáng),電流密度也大,導(dǎo)致生成α-Al2O3的氧化膜。而致密層的主要成分是α-Al2O3,具有一定硬度。

3.3 脈寬對(duì)陶瓷膜生成效率的影響

脈寬對(duì)陶瓷膜的生成效率有很大的影響。圖5是當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),不同脈寬對(duì)陶瓷膜生成效率的影響曲線。從圖5可知,在不同脈寬條件下,盡管加工時(shí)間相同,但生成陶瓷膜的厚度不同,脈寬越大,氧化陶瓷膜越厚,說(shuō)明脈寬越大,成膜效率越高。

圖5 脈寬對(duì)陶瓷膜生成效率的影響

4 結(jié)論

本文對(duì)掃描式微弧氧化技術(shù)的可行性進(jìn)行了研究,該方法能節(jié)約能源。放電間隙和成膜效率實(shí)驗(yàn)也證明了掃描式微弧氧化技術(shù)具有高的成膜效率,使該技術(shù)能在具體生產(chǎn)中得到應(yīng)用。利用該方法消耗功率小的優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)小功率電源設(shè)備對(duì)大面積工件的加工。

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