1、精選優質文檔-傾情為你奉上鎂合金微弧氧化綜述沈陽理工大學環境與化學工程學院鎂合金微弧氧化綜述摘要：簡要介紹了國內外鎂合金表面處理方法, 重點介紹了微弧氧化技術的發展現狀、工藝和成膜性能。介紹了鎂合金微弧氧化技術的發展，氧化膜形成的基本原理和生長規律，介紹了電解液體系對鎂合金微弧氧化物陶瓷膜性能的影響 對今后鎂合金微弧氧化的發展趨勢進行了展望。關鍵詞：鎂合金；微弧氧化；氧化膜；腐蝕性；研究進展引言：鎂合金作為一種發展迅猛的綠色環保合金材料，具有比重小（密度1.74g/ cm3)、比強度和比剛度高、容易切削成型、導熱導電性能好，以及良好的減震和電磁屏蔽性能已廣泛應用在航空航天工業、電子通訊和汽車、

2、筆記本電腦等行業中, 是一種較理想的現代工業結構材料。近年來，鎂合金的用量在全球范圍內的年增長率高達20% ，顯示了極好的應用前景。然而，鎂的電極電位很低（-2.36V ），在大多數介質環境中易受到腐蝕，因此鎂合金的腐蝕問題制約了鎂合金的廣泛應用和產業化為了提高鎂合金的抗腐蝕性能，科學工作者就防護技術進行了大量的研究，也提出了一些表面處理技術，如添加合金元素化學轉化膜金屬涂層和陽極氧化等。微弧氧化表面處理技術具有工藝簡單效率高無污染，處理工件能力強等優點，因此，引起世界各國研究人員的關注。1、微弧氧化原理微弧氧化又稱微等離子體氧化或陽極火花沉積。它是在Mg、Al、Ti 等有色金屬表面原位生長陶

3、瓷膜的一種新技術。微弧氧化（MAO）突破傳統陽極氧化技術的限制 ，電壓由工作區域引入到高壓放電區，電壓由幾十伏迅速提高到幾百伏，氧化電流由小電流發展到大電流，使工件表面產生火花放電、輝光甚至火花斑。采用該技術能在合金表面生長一層致密的氧化物陶瓷膜，該膜與基體結合力強、厚度可控制，并且處理工件尺寸變化小，極大改善了合金的耐磨損、耐腐蝕、抗熱沖擊及絕緣性能，在航空、航天、機械、電子以及生物材料等領域有廣泛的應用前景。微弧氧化表面處理技術開始于20世紀70年代中期的前蘇聯，我國則在20世紀90年代開始該領域的研究。隨著鎂合金的開發與應用，鎂合金的微弧氧化表面處理技術已成為鎂合金表面處理研究的熱點，是

4、一種很有前途的鎂合金表面處理技術。2、微弧氧化技術的發展20世紀30年代初期, Cunterschulzet 和Betz第一次報道了在高電場下, 浸在液體里的金屬表面出現火花放電現象, 火花對氧化膜具有破壞作用。后來研究發現利用此現象也可生成氧化膜。該技術最初采用直流模式, 應用于鎂合金的防腐上, 直到現在,鎂合金火花放電陽極氧化技術仍在研究開發之中。從20世紀70年代到80年代末, 美、德、俄三國獨立地發展該技術, 論文量不大, 進展也不大。進入90年代以來, 美、德、俄、日等國加快了微弧氧化技術的研究工作, 論文量增長較快, 但總數仍只有一二百篇, 研究結果也有局限性。總之, 目前該技術已

5、引起許多研究者的關注, 正成為國際材料科學研究的熱點之一, 其主要研究單位如表2所示1。在世界范圍內, 各研究單位工作各具特色, 各種電源模式同時并存, 目前俄羅斯在研究規模和水平上占據優勢。我國從20世紀90年代開始關注該技術, 目前,國內對鈦和鋁合金的微弧氧化技術研究得較多, 在鎂合金上的應用研究還處在初級階段。表2 微弧氧化技術的主要研究單位單位名稱電源模式研究金屬美國伊利諾大學美國北達卡他州應用技術公司德國卡爾馬克思城工業大學俄羅斯科學院遠東化學研究所俄羅斯科學院無機化學研究所莫斯科鋼鐵學院莫斯科航空工藝學院莫斯科油氣研究院北京師范大學直流直流單向脈沖直流交流交流交流交流交流AlMgA

6、l,Mg,TiAl,Ti,ZrAlAlAlAlAl,Mg,Ti3、微弧氧化與普通陽極氧化的比較微弧氧化是從普通陽極氧化發展而來的, 其裝置包括專用高壓電源、氧化槽、冷卻系統和攪拌系統。氧化液大多采用堿性溶液, 對環境污染小。溶液溫度以室溫為宜, 溫度變化較寬。溶液溫度對微弧氧化的影響比陽極氧化的小得多, 因為微弧區燒結溫度達幾千度, 遠高于槽溫, 而陽極氧化要求溶液溫度較低, 特別是硬質陽極氧化對溶液溫度限制更為嚴格。微弧氧化工件的形狀可以較復雜, 部分內表面也可處理。此外, 微弧氧化工藝流程比陽極氧化簡單得多。兩種工藝特點比較如表3所示1。表3 微弧氧化和陽極氧化技術比較項目微弧氧化陽極氧化

7、電壓、電流工藝流程溶液性質工作溫度氧化類型氧化膜相結構高壓、強流去油微弧氧化堿性溶液45化學氧化、電化學氧化、等離子體氧化晶態氧化物低壓、電流密度小堿蝕酸洗機械性清理陽極氧化封孔酸性溶液低溫化學氧化、電化學氧化無定形相4、微弧氧化的形成過程文獻2, 3, 4 提出了微弧氧化陶瓷膜的生長規律, 發現在微弧氧化初始階段, 氧化膜的向外生長速度大于向內生長速度, 達到一定厚度后, 氧化膜完全轉向基體內部生長。在整個過程中, 熱擴散和電遷移對膜生長起較大作用。一般認為微弧氧化過程經過4個階段: 第1階段, 表面生成氧化膜; 第2階段, 氧化膜被擊穿, 并發生等離子微弧放電; 第3階段, 氧化進一步向深

8、層滲透; 第4階段為氧化、熔融、凝固平穩階段。在微弧氧化過程中, 當電壓增大至某一值時, 鎂合金表面微孔中產生火花放電, 使表面局部溫度高達1000e 以上, 從而使金屬表面生成一層陶瓷質的氧化膜。其顯微硬度在HV1000以上, 最高可達HV25003000。在微弧氧化過程中, 氧化時間越長, 電壓值越大, 生成的氧化膜越厚。但電壓最高不應超過650V, 否則, 氧化過程中會發出尖銳的爆鳴聲, 使氧化膜大塊脫落, 并在膜表面形成一些小坑, 從而大大降低氧化膜的性能。5、微弧氧化膜的結構微弧氧化形成的膜與一般的陽極氧化膜一樣,具有2層結構：致密層和疏松層。與普通的陽極氧化膜相比, 微弧氧化膜的空

9、隙小, 空隙率低,生成的膜與基體結合緊密、質地堅硬、分布均勻, 從而具有更高的耐蝕、耐磨性能。微弧氧化膜表面由直徑幾十微米大顆粒及大量幾微米小顆粒組成, 顆粒熔化后加在一起, 每個大顆粒中間殘留一個幾微米大小的放電氣孔, 顆粒上能觀察到膜熔化痕跡, 表面還有許多更小的氣孔。微等離子體氧化膜是多孔的, 在強電場的作用下, 孔底氣泡首先被擊穿, 進而引起膜的介電擊穿, 發生微區放電。試驗過程中, 浸在溶液里的樣品表面能觀察到無數流動的火花, 由于擊穿總是發生在膜相對薄弱的部位, 因此最終生成膜是較均勻的。6、電解液體系對氧化膜的影響在鎂合金微弧氧化過程中，電解液的選取對膜層的生成以及防腐性能有重要

10、的影響。常見的幾種電解液分別為硅酸鹽體系、磷酸鹽體系、鋁酸鹽體系以及它們之間的混合體系。一般情況下，硅酸鹽體系生成陶瓷層的質量和性能比在鋁酸鹽體系和磷酸體系中的要好。氧化液中含有硅酸鹽的, 通過X射線衍射分析可知, 其陶瓷層主要由SiO2·MgO組成；氧化液中含有鋁酸鹽的, 陶瓷層中含有Al2O3成分。正是這兩種氧化物的存在,提高了陶瓷層的耐磨性。7、微弧氧化與陽極氧化性能的比較文獻5進行了微弧氧化和陽極氧化處理鎂合金耐蝕性的對比, 表明鎂合金表面經微弧氧化處理后電化學阻抗大幅升高, 鎂合金經微弧氧化后, 在5%NaCl 溶液中的腐蝕電流比經過陽極氧化處理的小近3個數量級, 微弧氧化

11、陶瓷層特有的微觀組織結構, 使它的耐蝕性比陽極氧化陶瓷層的耐蝕性顯著提高。8、微弧氧化技術研究的不足及發展方向微弧氧化技術是在克服以往的化學鍍、化學轉化膜等復雜工藝缺點的基礎上發展的一種新型鎂合金防腐技術，其操作簡單，生成的膜與基體結合緊密，質地堅硬分布均勻，使鎂合金具有更好的耐蝕耐磨性能，特別適合于惡劣介質中摩擦副部件的使用，在軍工航空 航天 汽車等領域具有廣泛的應用前景。盡管近年來微弧技術發展迅猛很受業內人士的關注，但在國內外均尚未進入大規模的應用階段。我國對鎂合金的微弧氧化起步較晚，仍然存在著一些不足之處，如生產過程中能耗較大，電解液冷卻困難生產過程有一定的噪聲以及在高壓下的用電安全等，

12、這些都需要進一步的改進和完善。（1）氧化陶瓷層表面存在著大量的微孔，不僅影響其表面的光澤度和粗糙度，而且是膜層腐蝕的主要途徑，通過完善工藝條件可以減少微孔的數量，從而提高耐蝕性能。（2）從氧化膜的結構而言，基本上都分成致密層、疏松層和過渡層三層。起作用的是致密層，提高致密層所占的比例，增強陶瓷層的性能。（3）微弧氧化過程中電耗較大，限制了加工工件的面積，因此必須研制出高效節能的氧化電源。當前微弧氧化的電源模式各具特色，但總體來說，交流電源在鎂合金表面生長的陶瓷膜性能比直流電源生產的陶瓷膜性能高得多，因此交流模式將是微弧氧化技術的重要發展方向。（4）如今微弧氧化的研究大部分集中在對其耐腐蝕性的研

13、究上，發表的論文大多基于定性研究，未得出定量結果。對膜層性能的研究大部分都集中在工藝參數上，雖然分析了膜層的耐蝕與耐磨性等與膜厚的變化有一定的關系，但沒有具體的膜厚可供參考。（5）電參數對陶瓷層組織結構及生長影響規律研究不足。各脈沖電參數（正負電壓、正負電流密度、頻率及占空比）對氧化膜組織結構的影響規律還沒有深入系統的研究。要獲得質量較好的氧化膜，要求微弧氧化成膜過程中各個時期對電參數不同控制，合理調節電參數優化組織結構。（6）雖然鎂合金微弧氧化后性能要比陽極氧化高得多，但微弧氧化過程中成本較高，因此開發低廉、可回收再利用的電解液是主要解決問題的關鍵。以上這些不足制約著微弧氧化層技術的應用廣泛發展，因此開發無污染電解液是微弧氧化層技術的首要任務，完善工藝參數，降低成本，盡早實現抑制弧光能耗，解決鎂合金微弧氧化工業化應用的難題。參考文獻：1 薛文斌,鄧志威,來永春.有色金屬表面微弧氧化技術評述J.金屬熱處理, 2000,(1):1-3.2余剛,劉躍龍,李瑛.Mg合金的腐蝕與防護J.中國有色金屬學報,2002,12(6):1087-1098.3 蔣百靈,張淑芬,吳建國.鎂合金微弧氧化陶瓷層耐蝕性的研究J.中國腐蝕與防護學報, 2002,22(5):300-303