微弧氧化技術簡介
北京創新長城科技有限公司
金諾達微弧氧化研發中心是一家專業為鋁、鎂，鈦輕金屬合金零部件表面提供微弧氧化處理工藝以及提供微弧氧化設備研發的專業中心！ 一、微弧氧化技術的原理及特點：微弧氧化陶瓷技術是一種在鋁、鎂、鈦等輕金屬合金表面原位生長陶瓷層的高新技術。其原理是在工件表面生成陽極化膜的同時，通過微電弧瞬時7000K高溫把極化膜轉為陶瓷相。該陶瓷層硬度高、高耐磨、韌性好、與基體結合力強、耐腐蝕、耐高溫氧化、絕緣性好，特別適用於高速運動且需要高耐磨、耐腐蝕、抗高溫衝擊的輕金屬合金零部件。俄、美、德、日本等國在航空、航天、兵器、汽車、船舶、機械、石油、化工、醫療、電子等行業對該技術的應用已達到相當水平。該技術的推廣應用及產業化必將推進相關行業的發展，成為新的經濟增長點。微弧氧化技術的突出特點是：（1）大幅度地提高了材料的表面硬度，顯微硬度在1000至2000HV，可與硬質合金相媲美，大大超過熱處理后的高碳鋼、高合金鋼和高速工具鋼的硬度；（2）良好的耐磨損性能；（3）良好的耐熱性及抗腐蝕性。這從根本上克服了鋁、鎂、鈦合金材料在應用中的缺點，因此該技術有廣闊的應用前景；（4）有良好的絕緣性能，絕緣電阻可達100MΩ以上。（5）基體原位生長陶瓷膜，結合牢固,陶瓷膜緻密均勻。二、適用領域：微弧氧化技術廣氾應用於航天、航空、兵器、機械、汽車、交通、石油化工、紡織、印刷，煙機，電子、輕工、醫療等行業。如：鋁合金加工成的子母導彈推進器、砲彈的彈底、鋁合金閥門、內燃機中的活塞、氣動元件中的氣缸和閥芯、風動工具中氣缸、紡織機械中導紗輪和紡杯、印刷機中搓紙輥和印刷輥等。鎂合金的汽車發動機罩蓋和箱體、踏板、方向盤和座椅，3C產品的殼體等。鈦合金的艦船潛艇中防腐部件、石油化工及醫藥工業中的耐腐容器及設備等。還可應用於零部件的表面修復。三、微弧氧化陶瓷層的性能 1、 微弧氧化陶瓷層的組織形貌① 鋁及鋁合金經微弧氧化處理后，其膜層厚度可達300μm，且膜層深人基體內部。膜層可分為疏鬆層和緻密層。疏鬆層又稱工藝層，是微弧氧化結束后工件氧化膜的表層。該表層存有大量的圓形堆積物，具有明顯的燒結熔融痕跡，上面殘留着許多直徑為1－10μm類似火山口的小孔（圖1a）。 外面的疏鬆層和內層的緻密層二者沒有明顯的分界線（圖1b）。緻密層比較厚是氧化膜的主體，與基體互相鑲嵌，構成緊密的冶金結合。因此，膜層與基體之間不會發生崩裂和脫落。 2、 硬　度 (1) 、鋁合金微弧氧化陶瓷塗層的截面顯微硬度②：陶瓷層的硬度用Ｈ1000型顯微硬度計測量,載荷0.5Ｎ,保持壓力10ｓ。鋁合金微弧氧化陶瓷塗層的截面顯微硬度見表1。其最高值可達1700ＨＶ,優于硬質陽極氧化和鍍硬鉻。 表1各種塗層截面顯微硬度塗 層 鋁合金陶瓷層 硬 質陽極氧化 鍍硬鉻 疏鬆層 緻密層 界面層 陶瓷層外表面距離（μm） 50 100 150 硬度Ｎ•ｍｍ-2 12110 17400 8960 4000－6000 8000－10000 （2） 微弧氧化陶瓷層厚度與硬度之間的關係（圖2）： 圖2 微弧氧化膜層厚度與硬度之間的關係 由圖2可以看出,微弧氧化膜層的硬度均在1000ｋｇ/ｍｍ2以上,最高值達到2078ｋｇ/ｍｍ2。隨膜厚的增加,膜層硬度略有增大,這是由於隨着氧化時間的延長,膜厚不斷增大,膜層中的微弧放電通道逐漸減少,膜層的緻密程度加強。③ 3、 結合力④　　用WS-92型聲發射塗層附着力划痕試驗機測定結合強度： 微弧氧化陶瓷塗層和硬Ｃｒ塗層的划痕試驗結果分別見圖（a）和圖（b）。從圖中可看出，鋁合金微弧氧化陶瓷塗層與基體間的臨界載荷Ｌｃ為40Ｎ,而電鍍硬Ｃｒ塗層為18Ｎ。 4、 耐腐蝕性能（1）、點滴腐蝕實驗⑤ 點滴實驗所用的溶液成分為:鹽酸(1.19ｇ/ｃｍ3)25ｍＬ、重鉻酸鉀3ｇ、蒸餾水75ｍＬ、溶液ｐＨ值為1-2。評定標準為表面液滴開始變綠所需的時間。實驗結果如表2所示。表2　點滴腐蝕實驗結果試樣 膜厚(μｍ) 表面液滴開始變綠時間(ｍｉｎ) 純鋁片純鋁片純鋁片ＬＹ12 ＬＹ12 ＬＹ12 ＬＹ12 未經微弧氧化處理 7.8 15.2 未經微弧氧化處理 4.5 15 25 2 10 20 0.5 10 20 35 據有關文獻報道,氧化時間為40ｍｉｎ的普通工業級陽極氧化膜,在點滴腐蝕實驗中6ｍｉｎ后表面開始變綠。由表2可知,經微弧氧化處理后,試樣的耐腐蝕性得到了較大的提高,且隨着膜厚的增加,膜層中緻密層的厚度也不斷變大,耐腐蝕性會得到進一步提高。 （2）、鹽霧實驗⑥ 鹽霧實驗在ＦＱＹ 010鹽霧腐蝕試驗箱中進行,採用5%ＮａＣｌ溶液進行中性鹽霧腐蝕試驗,觀察塗層出現腐蝕的週期。試驗以24ｈ為1週期,每個週期中連續噴霧8ｈ,停16ｈ。試驗結果見表3 表3各種塗層在相同條件下的鹽霧腐蝕結果： 試樣 腐蝕試驗結果 平均腐蝕速率（μm/h） LY12鋁合金電泳塗漆塗層化學鍍鎳塗層硬質陽極氧化微弧氧化 1週期內已出現嚴重腐蝕 7週期后出現嚴重腐蝕 12週期后出現嚴重腐蝕 13週期后出現嚴重腐蝕試驗進行87週期未出現明顯腐蝕 ――― 0.185 0.122 0.128 <0.057 從表中可以看出,鋁合金微弧氧化陶瓷層的耐鹽霧腐蝕性能十分明顯，高達2000小時以上。 5、 耐磨性能⑦ 塗層耐磨性試驗在ＭＭ 2000型摩擦磨損試驗機上進行,40Ｎ載荷,相對滑動速率1.6ｍ/ｓ,摩擦行程約17ｋｍ。對比用硬質合金選用ＹＧ8,硬度90ＨＲＡ以上。對磨件為ＧＣｒ15鋼(熱處理后硬度為62～64ＨＲＣ)在磨損前後用ＴＧ328Ａ光電天平稱重,以獲得磨損量,天平精度為0.1ｍｇ。實驗結果見表4。表中耐磨件磨損量為磨損試驗前後耐磨件的失重量,磨損體積=磨損量/密度。磨損體積越小,說明該塗層(或金屬材料)的耐磨性能越好。 表4　鋁合金微弧氧化陶瓷塗層與對比件耐磨性對比結果耐磨件 對磨件 載荷 行程 耐磨件磨損量 耐磨件磨損體積 (Ｎ) (ｋｍ) (ｍｇ) (×10-9ｍ3) 微弧氧化陶瓷 ＧＣｒ15軸承鋼 40 17.19 3.09 0.91 硬質合金 ＧＣｒ15軸承鋼 40 17.19 11.90 0.81 45鋼鍍硬Ｃｒ ＧＣｒ15軸承鋼 40 17.19 11.46 1.61 ＬＹ12鍍硬Ｃｒ ＧＣｒ15軸承鋼 40 <3.32 >141.84 >19.87 注:微弧氧化陶瓷塗層密度取3.4ｇ/ｃｍ3，ＹＧ8硬質合金密度為14.6～14.7ｇ/ｃｍ3,取14.65ｇ/ｃｍ3;硬 Ｃｒ密度為7.14ｇ/ｃｍ3;鋁合金鍍硬Ｃｒ塗層在行程約3.32ｋｍ時,塗層即磨盡。　　由表4數據對比結果可見,微弧氧化陶瓷塗層具有與硬質合金相當的耐磨性能,優于鍍硬Ｃｒ,比45鋼基體上硬Ｃｒ塗層高75%以上,且較鋁合金基體上硬Ｃｒ塗層性能更優。 6、 膜層的電絕緣性⑧ 本實驗用電阻計分別測量了純鋁及鋁合金試樣經微弧氧化處理后的體積電阻Ｒｖ和表面電阻Ｒｓ,並計算了體積電阻率ρｖ和表面電阻率ρｓ。試樣尺寸分別為:Φ100ｍｍ×0.6ｍｍ純鋁樣;Φ100ｍｍ×2ｍｍ鋁合金樣。試樣經微弧氧化處理后膜層厚度均為10μｍ左右。實驗結果如表5 表5　經微弧氧化處理試樣的絕緣電阻測量結果試樣 膜層厚度 Ｒｖ ρｖ Ｒｓ ρｓ（μm） (Ω) (Ω•ｃｍ) (Ω) (Ω) 純鋁樣 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　　 本實驗結果表明,對於純鋁試樣,膜厚在10μｍ時,體積電阻可達490ＭΩ,而鋁合金試樣在膜厚為10μｍ時,體積電阻高達630ＭΩ。鋁合金試樣經微弧氧化處理后的體積電阻率、表面電阻以及表面電阻率均較同等膜厚的純鋁試樣要小一些。通常,純氧化鋁的體積電阻率為1012～1014Ω•ｃｍ,而以α-Ａｌ2Ｏ3為主要相的氧化鋁陶瓷體積電阻率為1010～1013Ω•ｃｍ，由以上實驗結果可知,微弧氧化膜與氧化鋁陶瓷的絕緣性能相當,而較純氧化鋁的電絕緣性稍差。 7、 膜層的熱穩定性⑨ 將微弧氧化膜層進行差示熱分析曲線(ＤＳＣ)和熱重曲線(ＴＧ)分析,實驗是採用取出部分鋁氧化膜,在氮氣氣氛中從室溫加熱到1100℃,觀察其變化。實驗結果如圖3所示。 根據熱重曲線(ＴＧ)分析可以看出,氧化膜在450℃以下時,質量減輕,這是因為氧化膜失去水分和結晶水。在450℃以上,氧化膜的質量基本不變。因此,微弧氧化膜具有較好的熱穩定性。有關文獻報道,氧化鋁只有一種熱力學穩定相α-Ａｌ2Ｏ3相,屬於剛玉結構,金屬鋁氧化時都會生成中間相亞穩氧化鋁相。這些亞穩定相在一定的溫度下將向具有六方結構的穩定的α-Ａｌ2Ｏ3相轉變,且這種轉變是不可逆的。其中具有尖晶石結構的γ-Ａｌ2Ｏ3在1200℃開始轉變,具有六方結構的γ′-Ａｌ2Ｏ3在750～1000℃開始轉變,而具有六方結構的δ-Ａｌ2Ｏ3在950℃開始轉變。從圖2的差示熱分析曲線(ＤＳＣ)可看出,700℃左右開始出現晶型轉變,膜層中熔點較低且不穩定的γ′-Ａｌ2Ｏ3相開始轉變成熔點較高且穩定的α-Ａｌ2Ｏ3相。950℃左右亞穩的δ-Ａｌ2Ｏ3相也開始向穩定的α-Ａｌ2Ｏ3相轉變。 8、 膜層孔隙率⑩ 採用膏劑法測定膜層的孔隙率。所用膏劑成分為鋁試劑、二氧化鈦粉末和雙氧水。方法為在試樣表面均勻塗抹一層上述膏劑,10ｍｉｎ后觀察出現的紫色斑點數。實驗表明,膜厚度為2μｍ以下時,經微弧氧化后的膜層邊緣有少量紫色斑點,膜厚大於2μｍ的膜層表面均未出現紫色斑點,說明該膜層孔隙率較低。 目前,我公司在鋁、鎂合金工件微弧氧化生長陶瓷技術已經成熟，一次可處理面積達四平方米以上，陶瓷層厚度可達10-300微米。 若有問題，請隨時與我們聯繫！同時歡迎您對我們的工作提出您的寶貴意見和建議！期待與您的進一步合作！順頌商祺！