鋁合金微弧氧化工件局部平面保護(hù)方法研究

張宇，黃傳林，王 愷

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七二四研究所，江蘇 南京 211153）

微弧氧化是在普通陽極氧化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)表面處理新技術(shù)［1-3］。由于在表面處理過程中會(huì)產(chǎn)生等離子火花放電現(xiàn)象，所以又稱微等離子體氧化，這是一種在以Al、Mg、Ti等閥金屬及其合金表面通過微等離子體放電，原位生長氧化物陶瓷膜的新技術(shù)［4-9］。該過程是將工件作為陽極置于特殊的電解質(zhì)水溶液中，使工件表面的金屬與電解質(zhì)溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，由于在高電壓、大電流等因素的作用下，金屬發(fā)生熱化學(xué)、等離子體化學(xué)和電化學(xué)一系列反應(yīng)，導(dǎo)致金屬表面形成一層陶瓷膜［10-15］。利用此項(xiàng)微弧氧化技術(shù)形成的表面膜層與基體的結(jié)合力強(qiáng)、硬度高、耐磨性、耐蝕性、抗熱震性高，膜層電絕緣性好。在高溫、高濕、鹽霧的惡劣海洋環(huán)境下，暴露在外的鋁合金設(shè)備很容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，這使鋁合金設(shè)備在海洋工程中的長期應(yīng)用受到一定限制，而微弧氧化膜層具有很強(qiáng)的耐腐蝕性，能有效地解決了這個(gè)難題［16-20］。該技術(shù)是一項(xiàng)很有前途的材料表面處理新技術(shù)，正成為國際材料表面工程技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1 工藝研究問題的提出

微弧氧化是通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓作用（峰值電流可達(dá)1200 A左右，工作電流300 A左右，電壓550 V左右），生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層，膜層與基體的結(jié)合力強(qiáng)，陶瓷膜層絕緣，絕緣電阻可達(dá)107～109Ω左右，耐腐蝕膜層厚度一般在15～30 μm之間。

由于微弧氧化膜層是絕緣的，那么在進(jìn)行微弧氧化的時(shí)候，工件上需要導(dǎo)電的平面就需要保護(hù)起來；另外耐腐蝕膜層的厚度一般在15～30 μm之間，那么在進(jìn)行微弧氧化的時(shí)候，精度要求高的定位平面也需要保護(hù)起來。

目前，對(duì)于有螺釘孔的平面保護(hù)是比較成熟的，主要是采用絕緣保護(hù)材料通過螺釘孔固定在需要保護(hù)的平面上，阻止微弧氧化進(jìn)行，其中絕緣保護(hù)材料主要有密封用的丁基橡膠膠帶、固定用的塑料尼龍螺釘和橡膠蓋板等。

對(duì)于沒有螺釘孔的平面保護(hù)還不是很完善，因?yàn)闆]有螺釘孔，采取上述的絕緣保護(hù)材料固定在平面上就比較困難，為了解決這個(gè)難題就需要一種膠直接粘在需要保護(hù)的平面上。

微弧氧化的電解液主要有硅酸鹽體系、磷酸鹽體系、鎢酸鹽體系等，溶液多數(shù)呈堿性，但也有少數(shù)呈酸性的，因此這種膠需耐酸堿侵蝕；微弧氧化過程中，以電解槽為陰極，鋁合金工件為陽極，為了阻止保護(hù)平面氧化進(jìn)行，這種膠就需要絕緣；微弧氧化依靠弧光放電會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓，就需要這種膠能耐高溫、耐高電壓擊穿；另外還需要這種膠既附著牢固又要便于微弧氧化后清理，不影響鋁合金工件的使用。

2 現(xiàn)有平面局部保護(hù)的工藝方法

2.1 有螺釘孔的平面保護(hù)方法

如圖1（a）所示，圖中綠色的部位是定位平面，精度要求高，為了阻止微弧氧化在這個(gè)平面上的進(jìn)行，需要采取保護(hù)措施。針對(duì)此平面上有螺釘孔，圖1（b）中對(duì)定位平面，用塑料尼龍螺釘將橡膠蓋板固定在平面上，然后用丁基橡膠膠帶沿周邊縫隙纏繞兩圈，封住周邊縫隙，這樣就會(huì)將平面與電解液隔離，阻止了微弧氧化膜層在此定位平面上的生成。

圖1 帶螺釘孔定位面的保護(hù)Fig.1 Protection of positioning surface with screw hole

2.2 無螺釘孔的平面保護(hù)方法

2.2.1 目前的保護(hù)措施

無螺紋孔的導(dǎo)電平面、定位平面等其他平面，由于沒有螺釘孔的存在，用橡膠蓋板、塑料尼龍螺釘固定起來就比較困難。如圖2（a）和圖2（b），鋁合金工件某部位平面需要導(dǎo)電，因此需要保護(hù)起來阻止微弧氧化的進(jìn)行。

目前采取的保護(hù)措施如圖2所示。在導(dǎo)電平面貼上丁基橡膠膠帶，由于膠帶直接貼在平面上粘性不夠，為了使丁基橡膠膠帶更好地粘在導(dǎo)電平面上，圖2（a）中用卡環(huán)固定丁基橡膠膠帶，圖2（b）中采用固定架壓住丁基橡膠膠帶。由于丁基橡膠膠帶直接貼在平面上粘性不夠，需要采取固定裝置，這樣實(shí)施操作起來比較困難，而且保護(hù)的效果不理想，有很多部位被電壓擊穿滲透，在需要導(dǎo)電的平面上生成了微弧氧化層。

圖2 導(dǎo)電平面的丁基橡膠膠帶固定Fig.2 Protection of conductive plane using butyl rubber tape

2.2.2 解決措施

目前對(duì)于沒有螺釘孔的平面保護(hù)還不是很完善，因?yàn)闆]有螺釘孔，采取上述的保護(hù)措施操作起來就比較困難而且效果不好，為了解決這個(gè)難題就需要一種膠直接粘在需要保護(hù)的平面上。

針對(duì)上述工藝研究問題的提出中微弧氧化的特性和對(duì)膠膜性質(zhì)的要求，本文利用熱熔膠、電鍍保護(hù)膠帶、硅橡膠基可剝膠、環(huán)氧基可剝膠和藍(lán)膠等開展工藝試驗(yàn)，以摸索、驗(yàn)證不同膠料對(duì)微弧氧化中平面保護(hù)的效果和工藝性?？蓜兡z或膠帶對(duì)比見表1。

表1 可剝膠或膠帶對(duì)比Tab.1 Comparison of peelable glue and tape

2.2.3 試驗(yàn)過程與結(jié)果

如圖3（a）所示，利用熱熔槍將熱熔膠涂在零件表面，5 min后熱熔膠固化，將零件放到微弧氧化槽液中，但熱熔膠在槽液中很快就脫落了下來，沒有起到保護(hù)的作用。圖3（b）是將電鍍膠帶粘在零件表面，然后將零件放到微弧氧化槽液中，隨著微弧氧化的進(jìn)行，膠帶脫落并伴隨燒熔的狀態(tài)，也沒有起到保護(hù)的作用。

圖3 熱熔膠和電鍍膠帶試驗(yàn)Fig.3 Hot melt adhesive and electroplated tape tests

如圖4（a）～4（c）所示，將藍(lán)膠涂在試驗(yàn)件表面，4（a）厚度薄一些，4（b）的厚度相對(duì)厚一些，4（c）窄一些，涂完之后去電熱鼓風(fēng)干燥箱固化，固化溫度150℃，時(shí)間20 min。然后進(jìn)行微弧氧化，微弧氧化過程中藍(lán)膠在試驗(yàn)件表面粘貼良好。試驗(yàn)結(jié)束后測量膜層厚度在25～30 μm之間。從圖4（d）、4（e）中可以看出，由于邊緣比較薄，微弧氧化對(duì)試驗(yàn)件的邊緣有入侵的痕跡，但整體保護(hù)效果良好，而且試驗(yàn)結(jié)束后藍(lán)膠很容易剝離試驗(yàn)件表面；從圖4（f）試驗(yàn)結(jié)果可以看出，窄條藍(lán)膠的保護(hù)效果不好，由于膠帶太窄，微弧氧化過程中，電壓更容易從兩側(cè)擊穿，從而在需保護(hù)的區(qū)域生長出了膜層。

圖4 藍(lán)膠試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of blue-glue test

如圖5（a）所示，將硅橡膠基可剝膠、環(huán)氧基可剝膠分別刷涂在試驗(yàn)件上，常溫下12 h后，兩種可剝膠均固化在試驗(yàn)件表面。然后將試驗(yàn)件放入槽液中進(jìn)行微弧氧化，微弧氧化過程中硅橡膠基可剝膠和環(huán)氧基可剝膠在試驗(yàn)件表面粘貼良好。試驗(yàn)結(jié)束后測量膜層厚度在25～30 μm之間。從圖5（b）和5（c）可以看出，雖然兩種可剝膠刷涂的都很窄，但對(duì)平面的保護(hù)效果都比較良好，其主要原因是兩種可剝膠中含有一定量的氯化橡膠，氯化橡膠耐電蝕性好，能有效防止電壓擊穿。試驗(yàn)結(jié)束后兩種可剝膠都能剝離試驗(yàn)件表面，但環(huán)氧基可剝膠粘結(jié)力更強(qiáng)，主要是環(huán)氧膠與金屬的粘合力比硅橡膠更強(qiáng)。對(duì)于沒有螺紋孔的平面，在微弧氧化時(shí)可以考慮采用這兩種可剝膠來進(jìn)行局部保護(hù)。

圖5 可剝膠試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of peelable glue test

3 結(jié)語

本文針對(duì)微弧氧化過程中需要局部保護(hù)的平面，介紹了現(xiàn)有螺釘孔的平面保護(hù)方法和無螺釘孔的平面保護(hù)方法，并提出了利用可剝膠對(duì)無螺釘孔的平面進(jìn)行保護(hù)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證熱熔膠和電鍍膠帶沒有起到平面局部保護(hù)的效果，藍(lán)膠對(duì)于窄的平面局部保護(hù)效果不好，而硅橡膠基可剝膠和環(huán)氧基可剝膠對(duì)于平面的局部保護(hù)效果良好。