鎂合金微弧氧化綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上鎂合金微弧氧化綜述沈陽理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院鎂合金微弧氧化綜述摘要：簡要介紹了國內(nèi)外鎂合金表面處理方法, 重點(diǎn)介紹了微弧氧化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、工藝和成膜性能。介紹了鎂合金微弧氧化技術(shù)的發(fā)展，氧化膜形成的基本原理和生長規(guī)律，介紹了電解液體系對(duì)鎂合金微弧氧化物陶瓷膜性能的影響 對(duì)今后鎂合金微弧氧化的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：鎂合金；微弧氧化；氧化膜；腐蝕性；研究進(jìn)展引言：鎂合金作為一種發(fā)展迅猛的綠色環(huán)保合金材料，具有比重?。芏?.74g/ cm3)、比強(qiáng)度和比剛度高、容易切削成型、導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好，以及良好的減震和電磁屏蔽性能已廣泛應(yīng)用在航空航天工業(yè)、電子通訊和汽車、

2、筆記本電腦等行業(yè)中, 是一種較理想的現(xiàn)代工業(yè)結(jié)構(gòu)材料。近年來，鎂合金的用量在全球范圍內(nèi)的年增長率高達(dá)20% ，顯示了極好的應(yīng)用前景。然而，鎂的電極電位很低（-2.36V ），在大多數(shù)介質(zhì)環(huán)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(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化為了提高鎂合金的抗腐蝕性能，科學(xué)工作者就防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，也提出了一些表面處理技術(shù)，如添加合金元素化學(xué)轉(zhuǎn)化膜金屬涂層和陽極氧化等。微弧氧化表面處理技術(shù)具有工藝簡單效率高無污染，處理工件能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此，引起世界各國研究人員的關(guān)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(shù)。微弧氧化（MAO）突破傳統(tǒng)陽極氧化技術(shù)的限制 ，電壓由工作區(qū)域引入到高壓放電區(qū)，電壓由幾十伏迅速提高到幾百伏，氧化電流由小電流發(fā)展到大電流，使工件表面產(chǎn)生火花放電、輝光甚至火花斑。采用該技術(shù)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(jié)合力強(qiáng)、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(jī)械、電子以及生物材料等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。微弧氧化表面處理技術(shù)開始于20世紀(jì)70年代中期的前蘇聯(lián)，我國則在20世紀(jì)90年代開始該領(lǐng)域的研究。隨著鎂合金的開發(fā)與應(yīng)用，鎂合金的微弧氧化表面處理技術(shù)已成為鎂合金表面處理研究的熱點(diǎn)，是

4、一種很有前途的鎂合金表面處理技術(shù)。2、微弧氧化技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)30年代初期, Cunterschulzet 和Betz第一次報(bào)道了在高電場下, 浸在液體里的金屬表面出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象, 火花對(duì)氧化膜具有破壞作用。后來研究發(fā)現(xiàn)利用此現(xiàn)象也可生成氧化膜。該技術(shù)最初采用直流模式, 應(yīng)用于鎂合金的防腐上, 直到現(xiàn)在,鎂合金火花放電陽極氧化技術(shù)仍在研究開發(fā)之中。從20世紀(jì)70年代到80年代末, 美、德、俄三國獨(dú)立地發(fā)展該技術(shù), 論文量不大, 進(jìn)展也不大。進(jìn)入90年代以來, 美、德、俄、日等國加快了微弧氧化技術(shù)的研究工作, 論文量增長較快, 但總數(shù)仍只有一二百篇, 研究結(jié)果也有局限性?？傊? 目前該技術(shù)已

5、引起許多研究者的關(guān)注, 正成為國際材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一, 其主要研究單位如表2所示1。在世界范圍內(nèi), 各研究單位工作各具特色, 各種電源模式同時(shí)并存, 目前俄羅斯在研究規(guī)模和水平上占據(jù)優(yōu)勢(shì)。我國從20世紀(jì)90年代開始關(guān)注該技術(shù), 目前,國內(nèi)對(duì)鈦和鋁合金的微弧氧化技術(shù)研究得較多, 在鎂合金上的應(yīng)用研究還處在初級(jí)階段。表2 微弧氧化技術(shù)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(xué)美國北達(dá)卡他州應(yīng)用技術(shù)公司德國卡爾馬克思城工業(yè)大學(xué)俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東化學(xué)研究所俄羅斯科學(xué)院無機(jī)化學(xué)研究所莫斯科鋼鐵學(xué)院莫斯科航空工藝學(xué)院莫斯科油氣研究院北京師范大學(xué)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(fā)展而來的, 其裝置包括專用高壓電源、氧化槽、冷卻系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)。氧化液大多采用堿性溶液, 對(duì)環(huán)境污染小。溶液溫度以室溫為宜, 溫度變化較寬。溶液溫度對(duì)微弧氧化的影響比陽極氧化的小得多, 因?yàn)槲⒒^(qū)燒結(jié)溫度達(dá)幾千度, 遠(yuǎn)高于槽溫, 而陽極氧化要求溶液溫度較低, 特別是硬質(zhì)陽極氧化對(duì)溶液溫度限制更為嚴(yán)格。微弧氧化工件的形狀可以較復(fù)雜, 部分內(nèi)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(diǎn)比較如表3所示1。表3 微弧氧化和陽極氧化技術(shù)比較項(xiàng)目微弧氧化陽極氧化

7、電壓、電流工藝流程溶液性質(zhì)工作溫度氧化類型氧化膜相結(jié)構(gòu)高壓、強(qiáng)流去油微弧氧化堿性溶液45化學(xué)氧化、電化學(xué)氧化、等離子體氧化晶態(tài)氧化物低壓、電流密度小堿蝕酸洗機(jī)械性清理陽極氧化封孔酸性溶液低溫化學(xué)氧化、電化學(xué)氧化無定形相4、微弧氧化的形成過程文獻(xiàn)2, 3, 4 提出了微弧氧化陶瓷膜的生長規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)在微弧氧化初始階段, 氧化膜的向外生長速度大于向內(nèi)生長速度, 達(dá)到一定厚度后, 氧化膜完全轉(zhuǎn)向基體內(nèi)部生長。在整個(gè)過程中, 熱擴(kuò)散和電遷移對(duì)膜生長起較大作用。一般認(rèn)為微弧氧化過程經(jīng)過4個(gè)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(fā)生等離子微弧放電; 第3階段, 氧化進(jìn)一步向深

8、層滲透; 第4階段為氧化、熔融、凝固平穩(wěn)階段。在微弧氧化過程中, 當(dāng)電壓增大至某一值時(shí), 鎂合金表面微孔中產(chǎn)生火花放電, 使表面局部溫度高達(dá)1000e 以上, 從而使金屬表面生成一層陶瓷質(zhì)的氧化膜。其顯微硬度在HV1000以上, 最高可達(dá)HV25003000。在微弧氧化過程中, 氧化時(shí)間越長, 電壓值越大, 生成的氧化膜越厚。但電壓最高不應(yīng)超過650V, 否則, 氧化過程中會(huì)發(fā)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(jié)構(gòu)微弧氧化形成的膜與一般的陽極氧化膜一樣,具有2層結(jié)構(gòu)：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(jié)合緊密、質(zhì)地堅(jiān)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(gè)大顆粒中間殘留一個(gè)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(qiáng)電場的作用下, 孔底氣泡首先被擊穿, 進(jìn)而引起膜的介電擊穿, 發(fā)生微區(qū)放電。試驗(yàn)過程中, 浸在溶液里的樣品表面能觀察到無數(shù)流動(dòng)的火花, 由于擊穿總是發(fā)生在膜相對(duì)薄弱的部位, 因此最終生成膜是較均勻的。6、電解液體系對(duì)氧化膜的影響在鎂合金微弧氧化過程中，電解液的選取對(duì)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(zhì)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(xiàn)5進(jìn)行了微弧氧化和陽極氧化處理鎂合金耐蝕性的對(duì)比, 表明鎂合金表面經(jīng)微弧氧化處理后電化學(xué)阻抗大幅升高, 鎂合金經(jīng)微弧氧化后, 在5%NaCl 溶液中的腐蝕電流比經(jīng)過陽極氧化處理的小近3個(gè)數(shù)量級(jí), 微弧氧化

11、陶瓷層特有的微觀組織結(jié)構(gòu), 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(shù)研究的不足及發(fā)展方向微弧氧化技術(shù)是在克服以往的化學(xué)鍍、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等復(fù)雜工藝缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型鎂合金防腐技術(shù)，其操作簡單，生成的膜與基體結(jié)合緊密，質(zhì)地堅(jiān)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(zhì)中摩擦副部件的使用，在軍工航空 航天 汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。盡管近年來微弧技術(shù)發(fā)展迅猛很受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注，但在國內(nèi)外均尚未進(jìn)入大規(guī)模的應(yīng)用階段。我國對(duì)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(chǎn)過程中能耗較大，電解液冷卻困難生產(chǎn)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(jìn)一步的改進(jìn)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(shù)量，從而提高耐蝕性能。（2）從氧化膜的結(jié)構(gòu)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(qiáng)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(jié)能的氧化電源。當(dāng)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(chǎn)的陶瓷膜性能高得多，因此交流模式將是微弧氧化技術(shù)的重要發(fā)展方向。（4）如今微弧氧化的研究大部分集中在對(duì)其耐腐蝕性的研

13、究上，發(fā)表的論文大多基于定性研究，未得出定量結(jié)果。對(duì)膜層性能的研究大部分都集中在工藝參數(shù)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(guān)系，但沒有具體的膜厚可供參考。（5）電參數(shù)對(duì)陶瓷層組織結(jié)構(gòu)及生長影響規(guī)律研究不足。各脈沖電參數(shù)（正負(fù)電壓、正負(fù)電流密度、頻率及占空比）對(duì)氧化膜組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律還沒有深入系統(tǒng)的研究。要獲得質(zhì)量較好的氧化膜，要求微弧氧化成膜過程中各個(gè)時(shí)期對(duì)電參數(shù)不同控制，合理調(diào)節(jié)電參數(shù)優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)。（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(fā)低廉、可回收再利用的電解液是主要解決問題的關(guān)鍵。以上這些不足制約著微弧氧化層技術(shù)的應(yīng)用廣泛發(fā)展，因此開發(fā)無污染電解液是微弧氧化層技術(shù)的首要任務(wù)，完善工藝參數(shù)，降低成本，盡早實(shí)現(xiàn)抑制弧光能耗，解決鎂合金微弧氧化工業(yè)化應(yīng)用的難題。參考文獻(xiàn)：1 薛文斌,鄧志威,來永春.有色金屬表面微弧氧化技術(shù)評(píng)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(hù)J.中國有色金屬學(xué)報(bào),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(hù)學(xué)報(bào), 2002,22(5):300-303