氧化終止電壓對(duì)鋁合金微弧氧化黑色膜的影響

魏小旖　戴勇

【摘 要】本文采用LY12鋁合金作為實(shí)驗(yàn)的基體材料。向以硅酸鈉、磷酸三鈉、無(wú)水碳酸鈉、氫氧化鈉四種主鹽為主反應(yīng)體系的電解液中添加偏釩酸銨作為主著色鹽，通過(guò)微弧氧化處理在其表面產(chǎn)生黑色的陶瓷膜層。研究了氧化時(shí)間對(duì)膜層性能及顏色的影響，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】微弧氧化；氧化時(shí)間；黑色陶瓷膜層；鋁合金；微觀形貌

1、引言

黑色陶瓷膜具有獨(dú)特的光學(xué)功能和陶瓷性能，在材料的保護(hù)、光學(xué)性能與裝飾方面均有廣泛的應(yīng)用。用傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化技術(shù)制備的黑色陶瓷膜硬度較低，耐光老化性能較差，氧化膜容易褪色；而微弧氧化著色技術(shù)是利用含有著色鹽的電解液，通過(guò)微弧氧化技術(shù)在有色金屬表面原位制備各種顏色陶瓷膜的技術(shù)，利用該技術(shù)制備的黑色陶瓷膜層色澤穩(wěn)定、耐光性好、不易褪色且附著力和其它性能也較好。鋁合金微弧氧化著色技術(shù)無(wú)論工藝還是性能方面，相比傳統(tǒng)的鋁合金著色技術(shù)都具有更大的優(yōu)勢(shì)，是鋁合金著色處理的新方向。

2、試驗(yàn)材料及方法

該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微弧氧化處理所選用的材料是LY12鋁合金，其成分如表2.1所示，選用的試樣為20×20mm，厚度為3mm的長(zhǎng)方體塊狀試樣。本實(shí)驗(yàn)采用MAO-100D型全自動(dòng)觸摸屏式交流微弧氧化電源，輸出波形為方波。主要電參數(shù)為：輸出電壓0～600V，輸出電流0～100A，占空比5～95%，頻率1000～2000Hz。

試驗(yàn)過(guò)程：試樣的制備方法—電解液的配制—電參數(shù)的確定—微弧氧化處理—微弧氧化后處理。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1終電壓對(duì)微弧氧化黑色陶瓷膜層厚度的影響

本實(shí)驗(yàn)初步采用渦流測(cè)厚儀測(cè)量陶瓷層的厚度，它具有快速、方便、非破壞性的特點(diǎn)，特別適用于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速無(wú)損的膜厚檢查。從整體上來(lái)看，膜層的厚度隨著終電壓的升高而逐漸增加，在各個(gè)不同的電壓段，膜層的增長(zhǎng)速率并不相同。在起始階段，膜層厚度的增長(zhǎng)速率較大，但隨著膜層的不斷生長(zhǎng)，需要的能量越來(lái)越大，非線性增長(zhǎng)的電壓在某些時(shí)候就不能滿足其能量的需求，根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)表明，在260V、320V、380V電壓處，微弧氧化處理時(shí)，工件表面的弧點(diǎn)較其他電壓比較密集，故在這些電壓處膜層的厚度增長(zhǎng)也比較快。所以，在使用微弧氧化電源時(shí)，使用手動(dòng)調(diào)節(jié)在起弧后應(yīng)盡量保持在260V、320V、380V處較長(zhǎng)時(shí)間，獲得的膜層性能比較好。如若使用自動(dòng)檔時(shí)，電壓設(shè)置也在這些電壓上。

圖1不同終電壓下的微弧氧化膜層厚度

3.2終電壓對(duì)微弧氧化黑色陶瓷膜層粗糙度的影響

由下圖可見(jiàn)，微弧氧化陶瓷膜的表面粗糙度隨著終電壓的增長(zhǎng)近似呈線性增長(zhǎng)。膜層的增厚過(guò)程是在極高的能量條件下陶瓷膜的重復(fù)擊穿過(guò)程。在起弧后，作用在膜層上的能量較低，產(chǎn)生的熔融物顆粒較少，膜層的表面粗糙度較低；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，膜層表面的能量密度逐漸增大，熔融的氧化產(chǎn)物增多，并通過(guò)微孔噴射到表面。在電解液液淬作用下，氧化物冷卻凝固，并發(fā)生多次擊穿。在這種熔融、凝固、再熔融、再凝固的過(guò)程中，產(chǎn)生的氧化物顆粒黏附在陶瓷層表面的數(shù)量增多，從而增大了膜層表面的粗糙度。

圖2不同終電壓下的微弧氧化膜層的表面粗糙度

3.3氧化時(shí)間對(duì)微弧氧化黑色陶瓷膜層耐腐蝕性的影響

本實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)工作站對(duì)微弧氧化黑色膜試樣及未處理的LY12試樣進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，采用三電極體系，試樣為工作電極，對(duì)電極為鉑電極，參比電極為甘汞電極。試驗(yàn)介質(zhì)為3.5wt%NaCl的中性溶液。采用電化學(xué)工作站Tafels slope測(cè)量程序?qū)?dòng)電位極化曲線進(jìn)行分析，用線性回歸方法計(jì)算出極化曲線上陰極極化曲線和陽(yáng)極極化曲線的Tafel斜率，這兩段線性Tafel斜率的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 和 分別為腐蝕電位和腐蝕電流密度。腐蝕電流密度是耐蝕性的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，其大小可反應(yīng)試樣的腐蝕速度的快慢。腐蝕電流密度越小，試樣的腐蝕速度越慢，耐蝕性越好。 為開(kāi)路電位，可直接從電化學(xué)測(cè)量程序中讀取。

圖3 不同終電壓下的膜層動(dòng)電位極化曲線

表1不同氧化時(shí)間的微弧氧化黑色膜的動(dòng)電位極化參數(shù)

由上圖可以看出，基體鋁的腐蝕電位在0.98V左右，微弧氧化處理后形成的黑色陶瓷膜層的耐腐蝕性大大增強(qiáng)。腐蝕電位顯示，隨這終電壓的增長(zhǎng)，耐蝕性一直增強(qiáng)。腐蝕電流密度一直增加，也表明耐蝕性也一直增強(qiáng)。

4、結(jié)論

（1）隨著電壓的增長(zhǎng)，膜層厚度總體呈增長(zhǎng)，但是在260V、320V、380V等電壓處增長(zhǎng)速率變大。

（2）微觀形貌同時(shí)間，表面孔洞數(shù)量不斷減少，孔徑不斷增大，并且分布變得均勻；膜層越來(lái)越粗糙，起伏的情況也加劇。

（3）其耐蝕性隨著電壓的增長(zhǎng)一直增強(qiáng)。當(dāng)終電壓達(dá)到400V時(shí)，制備出的膜層較厚，也比較光滑，致密性好，耐蝕性也好。

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