一、微弧氧化适用领域
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、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。
微弧氧化法首先是在铝的表面生成一层薄薄的氧化铝。由于氧化铝不均匀，在某些薄弱的环节，会被几百伏的高压击穿，击穿的这一区域内温度骤然增高，将液体气化，形成一个瞬间的高温高压等离子区。
铝在等离子区这个特殊的环境中仍然按部就班地与氧结合。但生成的氧化铝分子不再是东一个，西一个，随意地在空间抢占自己的位置了。每个氧化铝分子都被安排好了自己的位置，各个分子对号入座，形成了有序的空间结构。
在这个小区域内，重新生成的氧化铝，要比原来的氧化铝厚。于是，高压就会在其他更薄的地方击穿，发生相同的反应。最后整个零件被这层氧化膜包裹得严严实实。用显微镜观察氧化膜与铝的交界处，是呈锯齿状的。这说明氧化层已渗透到铝中，就像从铝材上“长”出来的—样。
微弧氧化陶瓷层主要技术指标特点：
(1)高硬度、高耐磨：显微硬度800～2500 HV。
(2)耐腐蚀；盐雾实验耐1000 h以上。
(3)耐高温：可耐2500℃高温(2500℃高温冲击20s后，即使基本熔化，陶瓷层仍完好)。
(4)结合力强：与基体结合力达250～300 MPa。
(5)柔韧性强：陶瓷层厚30m的铝片弯曲成30度角，陶瓷层完好无损；陶瓷层厚100m的铝片弯曲断裂后，陶瓷层不开裂、不脱落。
(6)绝缘性好。
(7)膜层最厚可达200～300 μm。
(8)抛光后表面粗糙度低：Ra1.6～1.8 μm更低。
2024合金微弧氧化性能参数见表5—5—39。
表5—5—3 92024铝合金微弧氧化后所得膜层的性能参数表
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性 能
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微弧氧化膜层
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显微硬度(HV)
孔隙相对面积/%
5%盐雾试验/h
最大厚度/μm
柔韧性
涂膜均匀性、致密度
操作温度
处理效率
处理工序
膜层的微观结构
对材料的适应性
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1500～2000
0～40
5×105
50～250
好
内外表面均匀、致密
常温
10～30 min(50μm)
去油——微弧氧化——精磨
可以很方便地调整(含μ-Al2O3、γ- Al2O3、α—AlO(OH)等组织)
较宽：除铝合金(含铝基复合材料)外，它还能在Ti、Mg、Zr、Ta、Nb等
金属及其合金表面生成陶瓷层
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5.5.2微弧氧化的工艺
1)微弧氧化的工艺特点
(1)无污染。工件除油污无须酸、碱；槽液符合生态环境标准；微弧氧化中只放出氢气、氧气。工艺过程中无任何污染，属环保型表面处理技术。
(2)工序简单。工件除油污后即可人槽进行微弧氧化，出槽经水洗即可使用，无须其他后处理工序。即仅三道工序：①清洗油污；②微弧氧化；③水洗。
(3)陶瓷层可做成多种颜色，且着色牢固。
(4)处理轻金属合金覆盖面广。比如同样能对阳极氧化难以处理的铝－铜、铝－硅合金进行微弧氧化处理，且色泽美观。
(5)陶瓷化处理的零部件使用寿命长。
(6)微弧氧化技术目前仍存在一些不足之处，如工艺参数和配套设备的研究需进一步完善；微弧氧化陶瓷膜层的检测尚无专门标准，可采用铝常规阳极氧化膜层性能的检测标准。
(7)氧化电压较常规铝阳极氧化电压高得多，操作时要要做好安全保护措施。
(8)电解液温度上升较快，需配备较大容量的制冷和热交搀设备。
(9)生产效果：耗电量0.05～0.1 kW·h/μm·dm2，溶液使用周期4～20 h/m3，氧化膜生长速率50～150μm/h，加工面积约2 m2/100 kW。
2)微弧氧化的工艺流程
铝及铝合金材料的微弧氧化主要包括铝基材料的前处理、微弧氧化、后处理三部分。其工艺流程如下：
铝基工件→化学除油→清洗→微弧氧化→清洗→后处理→成品检验。
3)微弧氧化电解液组成及工艺条件(成分举例见表5—5—40)
例1 电解液组成：K2Si03 5～10 g/L，Na2O2 4～6 g/L，NaF 0.5～1 g/L，CH3COONa 2～3 g/L，Na3VO3 1～3 g/L；溶液pH为11～13；温度为20～50℃；阴极材料为不锈钢板；电解方式为先将电压迅速上升至300V，并保持5～10s、然后将阳极氧化电压上升至450V，电解5～10 min。
例2两步电解法，第一步：将铝基工件在200 g/L的K2O·nSi02(钾水玻璃)水溶液中以1A/dm2的阳极电流氧化5min；第二步：将经第一步微弧氧化后的铝基工件水洗后在70 g/L的Na3P207水溶液中以1A/dm2的阳极电流氧化15min。阴极材料为：不锈钢板；溶液温度为20～50℃。
1)微弧氧化的工艺特点
(1)无污染。工件除油污无须酸、碱；槽液符合生态环境标准；微弧氧化中只放出氢气、氧气。工艺过程中无任何污染，属环保型表面处理技术。
(2)工序简单。工件除油污后即可人槽进行微弧氧化，出槽经水洗即可使用，无须其他后处理工序。即仅三道工序：①清洗油污；②微弧氧化；③水洗。
(3)陶瓷层可做成多种颜色，且着色牢固。
(4)处理轻金属合金覆盖面广。比如同样能对阳极氧化难以处理的铝－铜、铝－硅合金进行微弧氧化处理，且色泽美观。
(5)陶瓷化处理的零部件使用寿命长。
(6)微弧氧化技术目前仍存在一些不足之处，如工艺参数和配套设备的研究需进一步完善；微弧氧化陶瓷膜层的检测尚无专门标准，可采用铝常规阳极氧化膜层性能的检测标准。
(7)氧化电压较常规铝阳极氧化电压高得多，操作时要要做好安全保护措施。
(8)电解液温度上升较快，需配备较大容量的制冷和热交搀设备。
(9)生产效果：耗电量0.05～0.1 kW·h/μm·dm2，溶液使用周期4～20 h/m3，氧化膜生长速率50～150μm/h，加工面积约2 m2/100 kW。
2)微弧氧化的工艺流程
铝及铝合金材料的微弧氧化主要包括铝基材料的前处理、微弧氧化、后处理三部分。其工艺流程如下：
铝基工件→化学除油→清洗→微弧氧化→清洗→后处理→成品检验。
3)微弧氧化电解液组成及工艺条件(成分举例见表5—5—40)
例1 电解液组成：K2Si03 5～10 g/L，Na2O2 4～6 g/L，NaF 0.5～1 g/L，CH3COONa 2～3 g/L，Na3VO3 1～3 g/L；溶液pH为11～13；温度为20～50℃；阴极材料为不锈钢板；电解方式为先将电压迅速上升至300V，并保持5～10s、然后将阳极氧化电压上升至450V，电解5～10 min。
例2两步电解法，第一步：将铝基工件在200 g/L的K2O·nSi02(钾水玻璃)水溶液中以1A/dm2的阳极电流氧化5min；第二步：将经第一步微弧氧化后的铝基工件水洗后在70 g/L的Na3P207水溶液中以1A/dm2的阳极电流氧化15min。阴极材料为：不锈钢板；溶液温度为20～50℃。
表5—5—40代表性的微弧氧化溶液的成分表/g·L-1
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成分
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氢氧化钠
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硅酸钠
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铝酸钠
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六偏磷酸钠
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磷酸三钠
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硼酸
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l
2
3
4
5
|
2.5
1.5～2.5
2.5
|
7～ll
10
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3
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3
35
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25
10
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7
10.5
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三、影响铝合金微弧氧化的主要因素
(1)铝合金材料及表面状态的影响微弧氧化技术对铝基工件的合金成分要求不高，对一些普通阳极氧化难以处理的铝合金材料，如含铜、高硅铸铝合金的均可进行微弧氧化处理。对工件表面状态也要求不高，一般不需进行表面抛光处理。对于粗糙度较高的工件，经微弧氧化处理后表面得到修复变得更均匀平整；而对于粗糙度较低的工件，经微弧氧化后，表面粗糙度有所提高。
(2)电解质溶液及其组分的影响微弧氧化电解液是获到合格膜层的技术关键。不同的电解液成分及氧化工艺参数，所得膜层的性质也不同。微弧氧化电解液多采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)，其在溶液中的存在形式最好是胶体状态。溶液的pH范围一般在9～13之间。根据膜层性质的需要，可添加一些有机或无机盐类作为辅助添加剂。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)氧化电压及电流密度的影响微弧氧化电压和电流密度的控制对获取合格膜层同样至关重要。不同的铝基材料和不同的氧化电解液，具有不同的微弧放电击穿电压(击穿电压：工件表面刚刚产生微弧放电的电解电压)，微弧氧化电压一般控制在大于击穿电压几十至上百伏的条件进行。氧化电压不同，所形成的陶瓷膜性能、表面状态和膜厚不同，根据对膜层性能的要求和不同的工艺条件，微弧氧化电压可在200～600 V范围内变化。微弧氧化可采用控制电压法或控制电流法进行，控制电压进行微弧氧化时，电压值一般分段控制，即先在一定的阳极电压下使铝基表面形成一定厚度的绝缘氧化膜层；然后增加电压至一定值进行微弧氧化。当微弧氧化电压刚刚达到控制值时，通过的氧化电流一般都较大，可达10 A/dm2左右，随着氧化时间的延长，陶瓷氧化膜不断形成与完善，氧化电流逐渐减小，最后小于1 A/dm2。氧化电压的波形对膜层性能有一定影响，可采用直流、锯齿或方波等电压波形。采用控制电流法较控制电压法工艺操作上更为方便，控制电流法的电流密度一般为2～8 A/dm2。控制电流氧化时，氧化电压开始上升较快，达到微弧放电时，电压上升缓慢，随着膜的形成，氧化电压又较快上升，最后维持在一较高的电解电压下。
(4)温度与搅拌的影响与常规的铝阳极氧化不同，微弧氧化电解液的温度允许范围较宽，可在10～90℃条件下进行。温度越高，工件与溶液界面的水气化越厉害，膜的形成速度越快，但其粗糙度也随之增加。同时温度越高，电解液蒸发也越快，所以微弧氧化电解液的温度一般控制在20～60℃范围。由于微弧氧化的大部分能量以热能的形式释放，其氧化液的温度上升较常规铝阳极氧化快，故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。虽然微弧氧化过程工件表面有大量气体析出，对电解液有一定的搅拌作用，但为保证氧化温度和体系组分的均一，一般都配备机械装置或压缩空气对电解液进行搅拌。
(5)微弧氧化时间的影响微弧氧化时间一般控制在10～60 min。氧化时间越长，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。
(6)阴极材料微弧氧化的阴极材料采用不溶性金属材料。由于微弧氧化电解液多为碱性液，故阴极材料可采用碳钢，不锈钢或镍。其方式可采用悬挂或以上述材料制作的电解槽作为阴极。
(7)膜层的后处理铝基工件经微弧氧化后可不经后处理直接使用，也可对氧化后的膜层进行封闭，电泳涂漆，机械抛光等后处理，以进一步提高膜的性能。
四、微弧氧化的设备
生产线设备包括：专用电源、槽组、温控系统、冷却系统、搅拌系统、行车系统等；电源功率为50～300 kW。
(1)微弧氧化电源设备是一种高压大电流输出的特殊电源设备，输出电压范围一般为0～600 V；输出电流的容量视加工工件的表面积而定，一般要求6～10 A/dm2。电源要设置恒电压和恒电流控制装置，输出波形视工艺条件可为直流、方波、锯齿波等波形。
例如：频率为l5～9000 Hz连续可调，占空比为5%～48%连续可调，功率：正向工作电流/电压：400A/700V；反向工作电流/电压：200A/300 V。脉冲：正负连续可调。全部数字化仪表，带波形显示。
(2)热交换和制冷设备。由于微弧氧化过程中工件表面具有较高的氧化电压并通过较大的电解电流，使产生的热量大部分集中于膜层界面处，而影响所形成膜层的品质，因此微弧氧化必须使用配套的热交换制冷设备，使电解液及时冷却，保证微弧氧化在设置的温度范围内进行。可将电解液采用循环对流冷却的方式进行，既能控制溶液温度，又达到了搅拌电解液的目的。
采用微弧氧化技术对铝及其合金材料进行表面强化处理，具有工艺过程简单，占地面积小，处理能力强，生产效率高，适用于大工业生产等优点。微弧氧化电解液不含有毒物质和重金属元素，电解液抗污染能力强和再生重复使用率高，因而对环境污染小，满足优质清洁生产的需要，也符合我国可持续发展战略的需要。微弧氧化处理后的铝基表面陶瓷膜层具有硬度高（HV＞1200），耐蚀性强（CASS盐雾试验＞480h），绝缘性好（膜阻＞100MΩ），膜层与基底金属结合力强，并具有很好的耐磨和耐热冲击等性能。微弧氧化技术工艺处理能力强，可通过改变工艺参数获取具有不同特性的氧化膜层以满足不同目的的需要；也可通过改变或调节电解液的成分使膜层具有某种特性或呈现不同颜色；还可采用不同的电解液对同一工件进行多次微弧氧化处理，以获取具有多层不同性质的陶瓷氧化膜层。(1)铝合金材料及表面状态的影响微弧氧化技术对铝基工件的合金成分要求不高，对一些普通阳极氧化难以处理的铝合金材料，如含铜、高硅铸铝合金的均可进行微弧氧化处理。对工件表面状态也要求不高，一般不需进行表面抛光处理。对于粗糙度较高的工件，经微弧氧化处理后表面得到修复变得更均匀平整；而对于粗糙度较低的工件，经微弧氧化后，表面粗糙度有所提高。
(2)电解质溶液及其组分的影响微弧氧化电解液是获到合格膜层的技术关键。不同的电解液成分及氧化工艺参数，所得膜层的性质也不同。微弧氧化电解液多采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)，其在溶液中的存在形式最好是胶体状态。溶液的pH范围一般在9～13之间。根据膜层性质的需要，可添加一些有机或无机盐类作为辅助添加剂。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)氧化电压及电流密度的影响微弧氧化电压和电流密度的控制对获取合格膜层同样至关重要。不同的铝基材料和不同的氧化电解液，具有不同的微弧放电击穿电压(击穿电压：工件表面刚刚产生微弧放电的电解电压)，微弧氧化电压一般控制在大于击穿电压几十至上百伏的条件进行。氧化电压不同，所形成的陶瓷膜性能、表面状态和膜厚不同，根据对膜层性能的要求和不同的工艺条件，微弧氧化电压可在200～600 V范围内变化。微弧氧化可采用控制电压法或控制电流法进行，控制电压进行微弧氧化时，电压值一般分段控制，即先在一定的阳极电压下使铝基表面形成一定厚度的绝缘氧化膜层；然后增加电压至一定值进行微弧氧化。当微弧氧化电压刚刚达到控制值时，通过的氧化电流一般都较大，可达10 A/dm2左右，随着氧化时间的延长，陶瓷氧化膜不断形成与完善，氧化电流逐渐减小，最后小于1 A/dm2。氧化电压的波形对膜层性能有一定影响，可采用直流、锯齿或方波等电压波形。采用控制电流法较控制电压法工艺操作上更为方便，控制电流法的电流密度一般为2～8 A/dm2。控制电流氧化时，氧化电压开始上升较快，达到微弧放电时，电压上升缓慢，随着膜的形成，氧化电压又较快上升，最后维持在一较高的电解电压下。
(4)温度与搅拌的影响与常规的铝阳极氧化不同，微弧氧化电解液的温度允许范围较宽，可在10～90℃条件下进行。温度越高，工件与溶液界面的水气化越厉害，膜的形成速度越快，但其粗糙度也随之增加。同时温度越高，电解液蒸发也越快，所以微弧氧化电解液的温度一般控制在20～60℃范围。由于微弧氧化的大部分能量以热能的形式释放，其氧化液的温度上升较常规铝阳极氧化快，故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。虽然微弧氧化过程工件表面有大量气体析出，对电解液有一定的搅拌作用，但为保证氧化温度和体系组分的均一，一般都配备机械装置或压缩空气对电解液进行搅拌。
(5)微弧氧化时间的影响微弧氧化时间一般控制在10～60 min。氧化时间越长，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。
(6)阴极材料微弧氧化的阴极材料采用不溶性金属材料。由于微弧氧化电解液多为碱性液，故阴极材料可采用碳钢，不锈钢或镍。其方式可采用悬挂或以上述材料制作的电解槽作为阴极。
(7)膜层的后处理铝基工件经微弧氧化后可不经后处理直接使用，也可对氧化后的膜层进行封闭，电泳涂漆，机械抛光等后处理，以进一步提高膜的性能。
四、微弧氧化的设备
生产线设备包括：专用电源、槽组、温控系统、冷却系统、搅拌系统、行车系统等；电源功率为50～300 kW。
(1)微弧氧化电源设备是一种高压大电流输出的特殊电源设备，输出电压范围一般为0～600 V；输出电流的容量视加工工件的表面积而定，一般要求6～10 A/dm2。电源要设置恒电压和恒电流控制装置，输出波形视工艺条件可为直流、方波、锯齿波等波形。
例如：频率为l5～9000 Hz连续可调，占空比为5%～48%连续可调，功率：正向工作电流/电压：400A/700V；反向工作电流/电压：200A/300 V。脉冲：正负连续可调。全部数字化仪表，带波形显示。
(2)热交换和制冷设备。由于微弧氧化过程中工件表面具有较高的氧化电压并通过较大的电解电流，使产生的热量大部分集中于膜层界面处，而影响所形成膜层的品质，因此微弧氧化必须使用配套的热交换制冷设备，使电解液及时冷却，保证微弧氧化在设置的温度范围内进行。可将电解液采用循环对流冷却的方式进行，既能控制溶液温度，又达到了搅拌电解液的目的。
