鋁合金微弧氧化工藝的研究進(jìn)展

張 穎， 孫淑萍， 劉 婕

（1.燕山大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；2.河北省應(yīng)用化學(xué)重點實驗室，河北 秦皇島066004）

0 前言

20世紀(jì)80年代后期，微弧氧化技術(shù)成為表面處理領(lǐng)域的一個研究熱點，各國的研究人員對微弧氧化膜的制備工藝及其性能進(jìn)行了大量的研究。微弧氧化膜的性能與工藝參數(shù)（如電壓、電流密度、氧化時間、溫度、電解液等）密切相關(guān)。本文概述了電解液、添加劑及電參數(shù)對微弧氧化膜性能的影響。

1 電解液對微弧氧化膜性能的影響

1.1 電解液體系

牛犇等［1］分別在硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽體系中對鑄造鋁合金進(jìn)行微弧氧化。研究表明：在硅酸鹽體系下制得的微弧氧化膜的厚度最大；在磷酸鹽體系下制得的微弧氧化膜的顯微硬度最大；三種體系下制得的微弧氧化膜都比較光滑。

1.2 電解液的質(zhì)量濃度

徐俊等［2］研究了Na2SiO3體系電解液的質(zhì)量濃度對微弧氧化膜性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度大于12g／L，KOH 的質(zhì)量濃度大 于3 g／L時，微弧氧化膜粗糙、疏松；當(dāng)Na2SiO3的質(zhì)量濃度小于6g／L時，成膜時間太長。

楊建等［3］采用NaOH-Na2SiO3體系電解液，對A356 鋁合金進(jìn)行微弧氧化。研究表明：隨著NaOH 的質(zhì)量濃度的增加，微弧氧化膜的抗腐蝕時間先增加后減少；當(dāng)NaOH 的質(zhì)量濃度為4g／L時，微弧氧化膜的耐蝕性最好。

1.3 添加劑

按作用不同，添加劑一般可分為導(dǎo)電劑、鈍化劑、穩(wěn)定劑和改良劑。常見的添加劑有鎢酸鈉、硼酸、EDTA-2Na、銨鹽、氫氟酸等。

在硅酸鹽體系下添加Na2WO4，當(dāng)Na2WO4的質(zhì)量濃度由2g／L 增至6g／L 時，微弧氧化膜的厚度由37.5μm 增至48.3μm［4］。在硅酸鹽體系下添加硼酸，當(dāng)硼酸的質(zhì)量濃度為1.5g／L時，微弧氧化膜的厚度達(dá)到21.0μm［5］。

在硅酸鹽體系下添加Na2WO4，可以提高微弧氧化膜的顯微硬度。當(dāng)Na2WO4的質(zhì)量濃度為10 g／L時，微弧氧化膜的顯微硬度可達(dá)9 800 MPa［6］。這是因為隨著Na2WO4的質(zhì)量濃度的增加，微弧氧化膜的孔隙越來越小，顯微硬度越來越大。SiC 作為一種添加劑也可以提高微弧氧化膜的顯微硬度和耐磨性［7］。

Na2WO4和銨鹽均能使微弧氧化膜的孔隙變小，使微弧氧化膜變得光滑［8］。Na2WO4的存在增加了氧離子和鋁離子的結(jié)合，在試樣的缺陷處吸附，填補了孔隙，生成的微弧氧化膜結(jié)構(gòu)致密、性能優(yōu)良［9］。

在電解液中添加鈰、鑭和SiC微粒，均可以提高微弧氧化膜的致密性和耐磨性［10］。在硅酸鈉體系中添加Na2WO4，可以抑制疏松層的增厚，提高微弧氧化膜的耐磨性［11］。

2 工藝參數(shù)對微弧氧化膜性能的影響

2.1 電流密度

劉俊超等［12］研究了電流密度對微弧氧化膜的厚度、粗糙度及成膜速率的影響。結(jié)果表明：電流密度應(yīng)控制在10～15A／dm2范圍內(nèi)。

隨著電流密度的增大，微弧氧化膜的孔隙率明顯上升，致密性下降。邵忠財?shù)龋?3］的研究表明：隨著電流密度的增大，陶瓷層及其致密層的增長速率均加快；當(dāng)電流密度大于6.2A／dm2時，致密層的增長幅度明顯減緩，增長速率不再隨電流密度的增大而增大。

微弧氧化膜的顯微硬度與其相組成及致密性有關(guān)。段關(guān)文等［14］的研究表明：隨著電流密度的增大，微弧氧化膜的顯微硬度增大；當(dāng)電流密度超過8 A／dm2時，微弧氧化膜的顯微硬度趨于穩(wěn)定。

隨著電流密度的增大，微弧氧化膜表面的微孔數(shù)量越來越少，但微孔的孔徑卻越來越大。杜軍等［15］指出：當(dāng)電流密度為10A／dm2時，微弧氧化膜表面的微粒與孔洞較小；當(dāng)電流密度為20 A／dm2時，微弧氧化膜較致密；當(dāng)電流密度達(dá)到30A／dm2時，微弧氧化膜較粗糙，出現(xiàn)明顯的微裂痕。

2.2 電壓

微弧氧化膜的厚度與電壓成正比，電壓越高，微弧氧化膜的厚度越大，但其粗糙度也越大。劉俊超等［12］指出：電壓低于500V 時，其對微弧氧化膜厚度的影響不是很明顯；高于500V 后，較小的電壓差異就會使微弧氧化膜的厚度發(fā)生很大的變化，而微弧氧化膜的生長速率則是先增大后減小。在硅酸鹽體系下，提高正負(fù)向電壓都有利于提高微弧氧化膜的厚度和均勻性，負(fù)向電壓對微弧氧化膜的影響更明顯［16］。

2.3 氧化時間

隨著氧化時間的延長，微弧氧化膜的厚度增加，膜層的平均生長速率下降。研究表明［17-18］：在恒流下，20min前，微弧氧化膜的厚度隨氧化時間的增加而呈線性增加；20min后的增長速率是20min內(nèi)的2倍；30min以后，微弧氧化膜的厚度基本不變。

隨著氧化時間的延長，微弧氧化膜表面的微孔數(shù)量明顯減少，但微孔的孔徑明顯變大，微弧氧化膜的致密性下降。李忠盛等［19］的研究表明：當(dāng)氧化時間為60min時，微弧氧化膜表面環(huán)形微粒的直徑約為10～20μm；當(dāng)氧化時間增加到160min時，微弧氧化膜表面環(huán)形微粒的直徑增加到30μm。

微弧氧化膜的顯微硬度隨氧化時間的延長而增大。李紅霞等［20］在電流密度20 A／dm2，氧化時間90min的條件下，制得顯微硬度為11 800 MPa的微弧氧化膜。薛文斌等［21］的研究表明：微弧氧化膜的平均顯微硬度隨膜厚的增加而增大，顯微硬度峰值也隨膜厚的增加而增大，最高的顯微硬度值達(dá)到20 000 MPa。

厚度、致密性、相組成是影響微弧氧化膜耐蝕性的三個主要因素。杜軍等［15］指出：當(dāng)氧化時間低于15min時，微弧氧化膜的抗點蝕性能隨氧化時間的增加而增強；繼續(xù)延長氧化時間，抗點蝕性能變化不大；超過20min時，抗點蝕性能迅速下降。

2.4 溫度

溫度應(yīng)控制在50℃以下，溫度太高不利于微弧氧化的進(jìn)行。溫度越高，成膜速率越快，但其粗糙度也隨之增加。王永等［22］的研究表明：隨著電解液起始溫度的升高，微弧氧化膜的厚度出現(xiàn)了先增加后減小再增加的變化趨勢，分別在40℃和50℃時取得最大值和最小值。

2.5 脈沖頻率

隨著脈沖頻率的增大，微弧氧化膜的厚度先減小后趨于穩(wěn)定，粗糙度先減小后增大，成膜速率逐漸降低。脈沖頻率越大，單脈沖放電能量越小，擊穿熔融后所形成的微孔也越小，陶瓷層比較致密［23］。

3 結(jié)語

與陽極氧化膜相比，微弧氧化膜具有較高的綜合性能。由于微弧氧化膜具備了陽極氧化膜和陶瓷噴涂層兩者的優(yōu)點，微弧氧化在許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

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