第七章金属转化膜技术详解.ppt

7.4 等离子体微弧氧化 等离子体微弧氧化简称微弧氧化，它是一种直接在铝合金、镁合金和钛合金等金属表面原位生长陶瓷层的新技术。 采用该技术可制备厚度达10~200微米的高强度、高结合强度、低孔隙、具有瓷质感的氧化膜，其耐蚀性和耐磨性都很好。由于该法操作方便，工艺稳定，效率高，并且无污染，已引起人们的广泛关注。 7.4.1 微弧氧化原理 微弧氧化就是把铝、镁、钛、锆、钽、铌等有色金属或合金置于电解液中作为阳极，以不锈钢作阴极，利用高压下电解液中的气体电离产生微弧放电，在热化学、等离子体化学、电化学、高温氧化等反应作用下，直接在有色金属表面原位生成陶瓷膜，从而提高其耐腐蚀、耐磨损、绝缘性、抗高温氧化性能和生物活性等的技术。 微弧氧化技术是在阳极氧化的基础上发展起来的，其过程包括电化学反应和等离子体化学反应。 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，因此陶瓷层的形成过程非常复杂，至今还没有一个合理的模型能全面描述陶瓷层的形成。 电解液中的氧离子和其他离子也通过放电通道进入到微弧区，和熔融的基体发生等离子体化学反应，反应产物沉积在放电通道的内壁上。随着微弧继续在试样表面其他薄弱部位放电，均匀的氧化层逐渐形成。 7.4.2 微弧氧化装置及工艺 微弧氧化装置主要由专用高压电源、电解槽、冷却系统和搅拌系统组成。 微弧氧化法制备陶瓷膜的工艺流程一般为：表面清洗→微弧氧化→自来水冲洗→自然干燥。 微弧氧化法多采用弱碱性电解液，常用的电解液有氢氧化钠、硅酸钠、铝酸钠、磷酸钠或偏磷酸钠等。 施加的电压可以是直流、交流、脉冲或者交直流叠加。其工作电压随电解液体系而异，一般不低于100V，高时可达1000V以上。 电流密度通常根据膜层厚度、耐磨、耐蚀、耐热等要求在2~40A/dm2范围内定。 槽液温度在60摄氏度以下均可正常工作。 微弧氧化所需设备 1、输入电源 三相380V电压。 2、微弧氧化电源 　　因电压要求较高，需专门定制。通常配备硅变压器。 　　电源输出电压：0—750V可调 　　电源输出最大电流：5A、10A、30A、50A、100A等可选。 3、微弧氧化槽及配套设施 　　槽体可选用PP、PVC等材质，外套不锈钢加固。可外加冷却设施或配冷却内胆。 4、挂具及阴极材料 　　挂具可选用铝或铝合金材质，阴极材料选用不溶性金属材料，推荐不锈钢。 微弧氧化影响因素 1. 工件材质及表面状态 　　（1）微弧氧化对铝材要求不高，不管是含铜或是含硅的难以阳极氧化的铝合金，均可用于微弧氧化，且能得到理想膜层。 　　（2）表面状态一般不需要经过抛光处理，对于粗糙的表面，经过微弧氧化，可修复得平整光滑；对于光滑的表面，则会增加粗糙度。 2. 液体成分对氧化造成的影响 　　电解液成分是得到合格膜层的关键因素。一般选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。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. 温度对微弧氧化的影响 　　微弧氧化与阳极氧化不同，所需温度范围较宽。一般为10—90度。温度高，成膜快，但粗糙度也增加。且温度高，会形成水气。一般建议在20—60度。由于微弧氧化以热能形式释放，所以液体温度上升较快，微弧氧化过程须配备容量较大的热交换制冷系统以控制槽液温度。 4. 时间对微弧氧化的影响 　　微弧氧化时间一般控制在10～60min。氧化时间越长，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。 5. 阴极材料 　　阴极材料可选用不锈钢，碳钢，镍等，可将上述材料悬挂使用或做成阴极槽体。 6. 后处理对微弧氧化的影响 　　微弧氧化过后，工件可不经过任何处理直接使用，也可进行封闭，电泳，抛光等后续处理。 7.4.3 微弧氧化膜的结构与性能 微弧氧化陶瓷膜由疏松层、致密层和过渡层组成。 微弧氧化方法中，由于采用了局部阳极放电的等离子体增强技术，因而极大地提高了膜层的综合性能。铝合金微弧氧化与硬质阳极氧化工艺所得膜层的性能对比可见，微弧氧化形成的陶瓷膜具有显著的综合性能。 微弧氧化技术的突出特点 （1）大幅度地提高了材料的表面硬度，显微硬度在1000至2000HV，最高可达3000HV，可与硬质合金相媲美，大大超过热处理后的高碳钢、高合金钢和高速工具钢的硬度； （2）良好的耐磨性能； （3）良好的耐热性及抗腐蚀性。从根本上克服了铝、镁、钛合金材料在应用中的缺点，因此该技术有广阔的应用前景； （4）有良好的绝缘性能，绝缘电阻可达100MΩ； （5）溶液为环保型，符合环保排放要求； （6）工艺稳定可靠，设备简单； （7）反应在常温下进行，操作方便，易于掌握； （8）基体原位生长陶瓷膜，结合牢固，陶瓷膜致密均匀