微弧氧化技术简介
北京创新长城科技有限公司
金诺达微弧氧化研发中心是一家专业为铝、镁，钛轻金属合金零部件表面提供微弧氧化处理工艺以及提供微弧氧化设备研发的专业中心！ 一、微弧氧化技术的原理及特点：微弧氧化陶瓷技术是一种在铝、镁、钛等轻金属合金表面原位生长陶瓷层的高新技术。其原理是在工件表面生成阳极化膜的同时，通过微电弧瞬时7000K高温把极化膜转为陶瓷相。该陶瓷层硬度高、高耐磨、韧性好、与基体结合力强、耐腐蚀、耐高温氧化、绝缘性好，特别适用于高速运动且需要高耐磨、耐腐蚀、抗高温冲击的轻金属合金零部件。俄、美、德、日本等国在航空、航天、兵器、汽车、船舶、机械、石油、化工、医疗、电子等行业对该技术的应用已达到相当水平。该技术的推广应用及产业化必将推进相关行业的发展，成为新的经济增长点。微弧氧化技术的突出特点是：（1）大幅度地提高了材料的表面硬度，显微硬度在1000至2000HV，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）良好的耐磨损性能；（3）良好的耐热性及抗腐蚀性。这从根本上克服了铝、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以上。（5）基体原位生长陶瓷膜，结合牢固,陶瓷膜致密均匀。二、适用领域：微弧氧化技术广泛应用于航天、航空、兵器、机械、汽车、交通、石油化工、纺织、印刷，烟机，电子、轻工、医疗等行业。如：铝合金加工成的子母导弹推进器、炮弹的弹底、铝合金阀门、内燃机中的活塞、气动元件中的气缸和阀芯、风动工具中气缸、纺织机械中导纱轮和纺杯、印刷机中搓纸辊和印刷辊等。镁合金的汽车发动机罩盖和箱体、踏板、方向盘和座椅，3C产品的壳体等。钛合金的舰船潜艇中防腐部件、石油化工及医药工业中的耐腐容器及设备等。还可应用于零部件的表面修复。三、微弧氧化陶瓷层的性能 1、 微弧氧化陶瓷层的组织形貌① 铝及铝合金经微弧氧化处理后，其膜层厚度可达300μm，且膜层深人基体内部。膜层可分为疏松层和致密层。疏松层又称工艺层，是微弧氧化结束后工件氧化膜的表层。该表层存有大量的圆形堆积物，具有明显的烧结熔融痕迹，上面残留着许多直径为1－10μm类似火山口的小孔（图1a）。 外面的疏松层和内层的致密层二者没有明显的分界线（图1b）。致密层比较厚是氧化膜的主体，与基体互相镶嵌，构成紧密的冶金结合。因此，膜层与基体之间不会发生崩裂和脱落。 2、 硬　度 (1) 、铝合金微弧氧化陶瓷涂层的截面显微硬度②：陶瓷层的硬度用Ｈ1000型显微硬度计测量,载荷0.5Ｎ,保持压力10ｓ。铝合金微弧氧化陶瓷涂层的截面显微硬度见表1。其最高值可达1700ＨＶ,优于硬质阳极氧化和镀硬铬。 表1各种涂层截面显微硬度涂 层 铝合金陶瓷层 硬 质阳极氧化 镀硬铬 疏松层 致密层 界面层 陶瓷层外表面距离（μm） 50 100 150 硬度Ｎ•ｍｍ-2 12110 17400 8960 4000－6000 8000－10000 （2） 微弧氧化陶瓷层厚度与硬度之间的关系（图2）： 图2 微弧氧化膜层厚度与硬度之间的关系 由图2可以看出,微弧氧化膜层的硬度均在1000ｋｇ/ｍｍ2以上,最高值达到2078ｋｇ/ｍｍ2。随膜厚的增加,膜层硬度略有增大,这是由于随着氧化时间的延长,膜厚不断增大,膜层中的微弧放电通道逐渐减少,膜层的致密程度加强。③ 3、 结合力④　　用WS-92型声发射涂层附着力划痕试验机测定结合强度： 微弧氧化陶瓷涂层和硬Ｃｒ涂层的划痕试验结果分别见图（a）和图（b）。从图中可看出，铝合金微弧氧化陶瓷涂层与基体间的临界载荷Ｌｃ为40Ｎ,而电镀硬Ｃｒ涂层为18Ｎ。 4、 耐腐蚀性能（1）、点滴腐蚀实验⑤ 点滴实验所用的溶液成分为:盐酸(1.19ｇ/ｃｍ3)25ｍＬ、重铬酸钾3ｇ、蒸馏水75ｍＬ、溶液ｐＨ值为1-2。评定标准为表面液滴开始变绿所需的时间。实验结果如表2所示。表2　点滴腐蚀实验结果试样 膜厚(μｍ) 表面液滴开始变绿时间(ｍｉｎ) 纯铝片纯铝片纯铝片ＬＹ12 ＬＹ12 ＬＹ12 ＬＹ12 未经微弧氧化处理 7.8 15.2 未经微弧氧化处理 4.5 15 25 2 10 20 0.5 10 20 35 据有关文献报道,氧化时间为40ｍｉｎ的普通工业级阳极氧化膜,在点滴腐蚀实验中6ｍｉｎ后表面开始变绿。由表2可知,经微弧氧化处理后,试样的耐腐蚀性得到了较大的提高,且随着膜厚的增加,膜层中致密层的厚度也不断变大,耐腐蚀性会得到进一步提高。 （2）、盐雾实验⑥ 盐雾实验在ＦＱＹ 010盐雾腐蚀试验箱中进行,采用5%ＮａＣｌ溶液进行中性盐雾腐蚀试验,观察涂层出现腐蚀的周期。试验以24ｈ为1周期,每个周期中连续喷雾8ｈ,停16ｈ。试验结果见表3 表3各种涂层在相同条件下的盐雾腐蚀结果： 试样 腐蚀试验结果 平均腐蚀速率（μm/h） LY12铝合金电泳涂漆涂层化学镀镍涂层硬质阳极氧化微弧氧化 1周期内已出现严重腐蚀 7周期后出现严重腐蚀 12周期后出现严重腐蚀 13周期后出现严重腐蚀试验进行87周期未出现明显腐蚀 ――― 0.185 0.122 0.128 <0.057 从表中可以看出,铝合金微弧氧化陶瓷层的耐盐雾腐蚀性能十分明显，高达2000小时以上。 5、 耐磨性能⑦ 涂层耐磨性试验在ＭＭ 2000型摩擦磨损试验机上进行,40Ｎ载荷,相对滑动速率1.6ｍ/ｓ,摩擦行程约17ｋｍ。对比用硬质合金选用ＹＧ8,硬度90ＨＲＡ以上。对磨件为ＧＣｒ15钢(热处理后硬度为62～64ＨＲＣ)在磨损前后用ＴＧ328Ａ光电天平称重,以获得磨损量,天平精度为0.1ｍｇ。实验结果见表4。表中耐磨件磨损量为磨损试验前后耐磨件的失重量,磨损体积=磨损量/密度。磨损体积越小,说明该涂层(或金属材料)的耐磨性能越好。 表4　铝合金微弧氧化陶瓷涂层与对比件耐磨性对比结果耐磨件 对磨件 载荷 行程 耐磨件磨损量 耐磨件磨损体积 (Ｎ) (ｋｍ) (ｍｇ) (×10-9ｍ3) 微弧氧化陶瓷 ＧＣｒ15轴承钢 40 17.19 3.09 0.91 硬质合金 ＧＣｒ15轴承钢 40 17.19 11.90 0.81 45钢镀硬Ｃｒ ＧＣｒ15轴承钢 40 17.19 11.46 1.61 ＬＹ12镀硬Ｃｒ ＧＣｒ15轴承钢 40 <3.32 >141.84 >19.87 注:微弧氧化陶瓷涂层密度取3.4ｇ/ｃｍ3，ＹＧ8硬质合金密度为14.6～14.7ｇ/ｃｍ3,取14.65ｇ/ｃｍ3;硬 Ｃｒ密度为7.14ｇ/ｃｍ3;铝合金镀硬Ｃｒ涂层在行程约3.32ｋｍ时,涂层即磨尽。　　由表4数据对比结果可见,微弧氧化陶瓷涂层具有与硬质合金相当的耐磨性能,优于镀硬Ｃｒ,比45钢基体上硬Ｃｒ涂层高75%以上,且较铝合金基体上硬Ｃｒ涂层性能更优。 6、 膜层的电绝缘性⑧ 本实验用电阻计分别测量了纯铝及铝合金试样经微弧氧化处理后的体积电阻Ｒｖ和表面电阻Ｒｓ,并计算了体积电阻率ρｖ和表面电阻率ρｓ。试样尺寸分别为:Φ100ｍｍ×0.6ｍｍ纯铝样;Φ100ｍｍ×2ｍｍ铝合金样。试样经微弧氧化处理后膜层厚度均为10μｍ左右。实验结果如表5 表5　经微弧氧化处理试样的绝缘电阻测量结果试样 膜层厚度 Ｒｖ ρｖ Ｒｓ ρｓ（μm） (Ω) (Ω•ｃｍ) (Ω) (Ω) 纯铝样 10 4.9×108 1.73×1011 5.9×108 4.47×1010 ＬＹ12 10 6.3×108 6.64×1010 1.4×108 1.12×1010　　 本实验结果表明,对于纯铝试样,膜厚在10μｍ时,体积电阻可达490ＭΩ,而铝合金试样在膜厚为10μｍ时,体积电阻高达630ＭΩ。铝合金试样经微弧氧化处理后的体积电阻率、表面电阻以及表面电阻率均较同等膜厚的纯铝试样要小一些。通常,纯氧化铝的体积电阻率为1012～1014Ω•ｃｍ,而以α-Ａｌ2Ｏ3为主要相的氧化铝陶瓷体积电阻率为1010～1013Ω•ｃｍ，由以上实验结果可知,微弧氧化膜与氧化铝陶瓷的绝缘性能相当,而较纯氧化铝的电绝缘性稍差。 7、 膜层的热稳定性⑨ 将微弧氧化膜层进行差示热分析曲线(ＤＳＣ)和热重曲线(ＴＧ)分析,实验是采用取出部分铝氧化膜,在氮气气氛中从室温加热到1100℃,观察其变化。实验结果如图3所示。 根据热重曲线(ＴＧ)分析可以看出,氧化膜在450℃以下时,质量减轻,这是因为氧化膜失去水分和结晶水。在450℃以上,氧化膜的质量基本不变。因此,微弧氧化膜具有较好的热稳定性。有关文献报道,氧化铝只有一种热力学稳定相α-Ａｌ2Ｏ3相,属于刚玉结构,金属铝氧化时都会生成中间相亚稳氧化铝相。这些亚稳定相在一定的温度下将向具有六方结构的稳定的α-Ａｌ2Ｏ3相转变,且这种转变是不可逆的。其中具有尖晶石结构的γ-Ａｌ2Ｏ3在1200℃开始转变,具有六方结构的γ′-Ａｌ2Ｏ3在750～1000℃开始转变,而具有六方结构的δ-Ａｌ2Ｏ3在950℃开始转变。从图2的差示热分析曲线(ＤＳＣ)可看出,700℃左右开始出现晶型转变,膜层中熔点较低且不稳定的γ′-Ａｌ2Ｏ3相开始转变成熔点较高且稳定的α-Ａｌ2Ｏ3相。950℃左右亚稳的δ-Ａｌ2Ｏ3相也开始向稳定的α-Ａｌ2Ｏ3相转变。 8、 膜层孔隙率⑩ 采用膏剂法测定膜层的孔隙率。所用膏剂成分为铝试剂、二氧化钛粉末和双氧水。方法为在试样表面均匀涂抹一层上述膏剂,10ｍｉｎ后观察出现的紫色斑点数。实验表明,膜厚度为2μｍ以下时,经微弧氧化后的膜层边缘有少量紫色斑点,膜厚大于2μｍ的膜层表面均未出现紫色斑点,说明该膜层孔隙率较低。 目前,我公司在铝、镁合金工件微弧氧化生长陶瓷技术已经成熟，一次可处理面积达四平方米以上，陶瓷层厚度可达10-300微米。 若有问题，请随时与我们联系！同时欢迎您对我们的工作提出您的宝贵意见和建议！期待与您的进一步合作！顺颂商祺！