分析微弧氧化表面處理對鋁合金拉伸性能的影響

趙勝強 徐增

0.引言

鋁合金本身存在一定的缺點，比如其硬度低、耐磨性差，所以要進行一定的處理。微弧氧化技術(shù)的誕生，使得它克服了傳統(tǒng)陽極氧化的不足，該技術(shù)可以控制工藝過程，能夠生成具有優(yōu)異的耐磨和耐蝕性能的陶瓷薄膜，與其他技術(shù)相比較有較高的硬度和絕緣電阻，并且大大提高了膜層的綜合性能；此技術(shù)具有很多的優(yōu)點，比如工藝簡單，操作簡易，效率高、環(huán)保；開創(chuàng)了一個新的技術(shù)。但此技術(shù)的應(yīng)用會對鋁合金表面的拉伸性能產(chǎn)生一定的影響，筆者在本文進行了探討。

1.微弧氧化技術(shù)

1.1微弧氧化的基本原理

微弧氧化工藝的基礎(chǔ)，是在陽極氧化工藝上慢慢摸索出來的。陽極需要進行氧化，其在法拉第區(qū)進行，升高金屬陽極的電位，這樣會升高金屬陽極的電流，連續(xù)的升壓，當(dāng)升到一定的強度時，會進入電火花放電區(qū)，此時，會屬陽極會出現(xiàn)一些特殊的現(xiàn)象，比如鋁合金表面會出現(xiàn)電暈、輝光及電火花放電現(xiàn)象，發(fā)生微區(qū)放電現(xiàn)象。筆者本文通過對鋁陽極為例，鋁的陽極氧化膜的成份是A12O3、Y-AI2O3和AIOOH。由于鋁的氧化物在高溫會出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)化，如下：

所以一般在進行微區(qū)高溫高壓等離子體放電的階段，鋁陽極氧化膜的轉(zhuǎn)變過程會出現(xiàn)晶化轉(zhuǎn)變，比如Y—A1203和a—A1203，形成微弧陶瓷氧化膜，具有高硬度及良好耐腐蝕性，一般情況下陶瓷氧化膜的顯微硬度可以達到2000HV以上。繼續(xù)升高電壓，這時會進入弧光放電區(qū)，此時會出現(xiàn)陽極表面電流密度增大，并伴有強烈的弧光放電現(xiàn)象。由于弧光放電時會產(chǎn)生強大的沖擊力，所以微弧氧化應(yīng)避免弧光放電區(qū)。

1.2微弧氧化的特點

微弧氧化技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的鋁合金表面處理的新技術(shù)，目前微弧氧化技術(shù)不是很成熟，還處于研究階段，對其描述的資料較少。但鋁合金微弧氧化技術(shù)有其獨特的優(yōu)點：

1.2.1耐磨性能高

一般情況下，Al、Mg、Ti 合金，在進行微弧氧化后會產(chǎn)生Al2O3、MgO、TiO2。陶瓷相的產(chǎn)物是具有很強的硬度，所以經(jīng)微弧氧化的鋁合金具有很高的硬度，最硬的硬度可達2500 HV，因此鋁合金表面具有優(yōu)越的耐磨強度，其耐磨性大大高于傳統(tǒng)工藝的膜層.其優(yōu)良的耐磨性還與一些特殊的因素有關(guān)，比如潤滑油的自潤滑特性有關(guān)。

1.2.2耐腐蝕性能高

一般在經(jīng)微弧氧化后的陶瓷層會存在大量的噴射口，但是這些噴射口一般為盲孔；與此同時陶瓷層具可分為三層結(jié)構(gòu)，疏松層、致密層以及過渡層，這樣的分層結(jié)構(gòu)能夠為金屬內(nèi)部起到良好的保護作用，所以能夠提高耐腐蝕性能。

1.2.3工序簡單、生產(chǎn)效率高

微弧氧化技術(shù)一般處理工序簡單，且生產(chǎn)速度快，一般情況下，要完成一個完整的微弧氧化要做到以下的流程：除油—清洗—氧化—清洗—封孔—烘干。與傳統(tǒng)的氧化工藝相比較，工序減少，且花費時間也減少，一般僅需l0min 左右，大大提高了生產(chǎn)效率，且降低了成本，增加企業(yè)的收益。

1.2.4厚度、顏色均勻

在進行微弧氧化操作時，其正極是與電源正極相接浸在溶液里的工件作，其負(fù)極是與電源負(fù)極相連的不銹鋼板。加入電源以后，工件表面的電線要實現(xiàn)均勻分布，這樣做的目的是使得陶瓷膜層的厚度以及色澤均勻。據(jù)前人研究表明，利用微弧氧化強化技術(shù)，可以在對陶瓷膜的形成后，產(chǎn)生一套穩(wěn)定的陶瓷膜層。

1.2.5環(huán)保

在進行微弧氧化操作時，溶液中的各種離子只起導(dǎo)電作用，并且基本上不會消耗，所以能夠循環(huán)使用，使用壽命高。另外，微弧氧化溶液一般呈中性或堿性，并且溶液中不含有重金屬元素，所以說微弧氧化技術(shù)是環(huán)保的，無污染的。

2.微弧氧化對鋁合金拉伸性能的影響

微弧氧化會產(chǎn)生不同厚度的氧化膜，并且不同厚度的氧化膜對鋁合金的拉伸性能不同，以LY12CZ鋁合金為例，其中O代表沒有被氧化的試樣，且表中每個數(shù)據(jù)都是在進行三次實驗后得到的試樣數(shù)據(jù)的平均值。試驗結(jié)束后，通過繪制出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)彈性變形部分具有線性關(guān)系，所以能夠計算出彈性模量E。

通過表1，我們可以讀取O、A、B、C樣品的數(shù)據(jù)，我們可以發(fā)現(xiàn)在對LY12CZ鋁合金進行微弧氧化后，其表面可以形成60～160μm厚陶瓷氧化膜，所以對其伸性能影響不大。從總體來看，微弧氧化的樣品中的一些參數(shù)有所變化，如σs、σb、δ、E值有所降低.

鋁合金微弧氧化膜具有兩層結(jié)構(gòu)，致密層和表面疏松層，其中一半以上是致密層，大約占2/3。由于微弧區(qū)，在一般情況下是快速凝固，且受到熱應(yīng)力的影響，所以會在膜層表面出現(xiàn)小的裂紋。舉例說明，比如將A、B、C樣品通過特殊處理以后，得到樣品A1、B1、C1，能夠降低鋁合金表面的粗糙程度，同是也能消除細小的裂紋。一般情況下，不同膜層厚度的樣品，在經(jīng)過打磨以下其抗拉強度會出現(xiàn)一定的變化，正如前面所說到的，鋁合金表面氧化后，其σb有所下降，但是一般情況下其底線是5%，但是A表面磨光后σb卻保持不變，我們在圖中可以看到樣品B、C的值有所增加。與前文的表1進行比較，σs、δ也會出現(xiàn)與σb一樣的變化規(guī)律，那就是在打磨樣品以后，σs、δ在比未打磨的樣品有所提高，通常膜較薄且保持不變。但是我們發(fā)現(xiàn)不管氧化膜是否經(jīng)過打磨，其σs、σb、δ值總是低于未經(jīng)處理的鋁合金表面的試樣。

3.結(jié)語

本文通過探討LY12CZ鋁合金經(jīng)微弧氧化后，其表面的陶瓷膜層是否會對鋁合金的拉伸強度造成影響，實驗結(jié)果表明它對鋁合金拉伸性能影響不大，同是試樣在經(jīng)過氧化之后，其參數(shù)σs、σb、δ、E值都降低但下降量不超過5%，并且ψ值還會出現(xiàn)小幅度的增加。打磨試樣與未磨試樣相比，打磨會把氧化膜去掉，所以會導(dǎo)致ψ值降低，但是實驗結(jié)果表明，氧化膜較厚的試樣一般σs、σb、δ值會提高?？傊?，微弧氧化前后會對拉伸強度造成一定的影響，但是影響不大。

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