兩種新工藝在熱帶海洋氣候下的應(yīng)用探討

吳　斌（海裝西安局，陜西　西安　710068）

兩種新工藝在熱帶海洋氣候下的應(yīng)用探討

吳斌（海裝西安局，陜西西安710068）

鋁合金微弧氧化及氟涂料涂覆工藝等是近幾年使用比較廣泛的新型工藝，介紹了這兩種工藝的現(xiàn)狀及特點(diǎn)，探討了在設(shè)備中的使用情況；氟涂層的防腐效果，提高氟涂層附著力的具體措施，以及微弧氧化鍍層的三防性能等。通過(guò)試驗(yàn)、試用證明：這兩種新工藝對(duì)提高大型電子設(shè)備在熱帶海洋氣候下的可靠性和環(huán)境防護(hù)能力非常有效。

熱帶海洋氣候；新工藝；氟涂料；微弧氧化

0 引 言

熱帶海洋環(huán)境氣候具有高溫、高濕、高鹽霧、臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)日光輻射等顯著特征，而大型電子設(shè)備體型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在熱帶，雨后會(huì)形成高溫、高濕的環(huán)境，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性防護(hù)提出了更高的要求。本文針對(duì)濕度大于98%，暴雨、大風(fēng)、高溫、高濕以及有強(qiáng)滲透力的熱帶海洋氣候特征，采用傳統(tǒng)工藝防護(hù)效果不太理想，促使人們進(jìn)一步探索新工藝、新方法，從根本上解決大型電子設(shè)備在熱帶海洋氣候下的環(huán)境防護(hù)難題。

1 工藝介紹

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及材料科學(xué)研究的不斷深入，相繼出現(xiàn)了很多新工藝，如：微弧氧化工藝、氟涂料涂覆工藝等，它們已經(jīng)較廣泛的應(yīng)用。經(jīng)試驗(yàn)、試用和使用，這兩種新工藝對(duì)解決在熱帶海洋氣候下大型電子設(shè)備的表面防護(hù)具有很好的效果。

1.1 微弧氧化工藝

微弧氧化是一種在有色金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜的高新技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化電流、電壓法拉第區(qū)域的限制，陽(yáng)極電位由幾十伏提高到幾百伏，由直流發(fā)展到交流，在樣品表面出現(xiàn)電暈、輝光、微弧放電，致使材料表面氧化層處在微等離子體的高溫高壓作用下，發(fā)生相和結(jié)構(gòu)變化，形成具有微晶、非晶結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷層。該陶瓷層具有多種優(yōu)于陽(yáng)極氧化膜層的性能，經(jīng)微弧氧化處理的鋁合金表面不僅可滿足動(dòng)態(tài)防腐要求，從處理工藝上可實(shí)現(xiàn)整體大面積防護(hù)處理，并消除了環(huán)境污染，處理成本遠(yuǎn)低于激光、電子束表面處理等干法技術(shù)。預(yù)計(jì)該技術(shù)在航空、航天、機(jī)械、電子、裝飾等領(lǐng)域都將有廣闊的應(yīng)用前景。

1.1.1 生長(zhǎng)特性

微弧氧化技術(shù)（MAO-Microarc oxidation），又稱為微等離子體氧化（MPO-Microplasma oxidation）或陽(yáng)極火花沉積（ASD-Anodic spark deposition），是一種有色金屬表面處理的新技術(shù)。其工藝原理是將Al、Mg、Ti等金屬樣品放入電解液中，通電后金屬表面立即生成很薄一層絕緣膜，當(dāng)陽(yáng)極氧化電壓超過(guò)某一臨界值后，該絕緣氧化膜層相對(duì)薄弱部位被擊穿，在較高的陽(yáng)極氧化電壓下，樣品表面上出現(xiàn)電暈、輝光、微弧放電，甚至火花斑等現(xiàn)象。每個(gè)弧點(diǎn)存在的時(shí)間很短，但等離子體放電區(qū)瞬間溫度很高，Van認(rèn)為瞬間溫度超過(guò)2000 ℃，Krysmann計(jì)算出其溫度可達(dá)8000 K，在此區(qū)域內(nèi)金屬及其氧化物發(fā)生熔融甚至氣化，產(chǎn)生相和結(jié)構(gòu)變化。在與電解液的接觸反應(yīng)中，熔融物激冷而形成與基體以冶金形式結(jié)合的非金屬陶瓷膜層，如使非晶結(jié)構(gòu)的Al2O3轉(zhuǎn)變成α-Al2O3和γ-Al2O3，陶瓷膜層的硬度在1000 HV以上，厚度可達(dá)300 μm，絕緣電阻大于100 MΩ。

1.1.2 微觀形貌特征

微弧氧化處理是在陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生微弧放電，使陽(yáng)極表面微區(qū)溫度升高而生成一層與基體以微冶金形式結(jié)合的氧化鋁晶態(tài)和非晶態(tài)的微晶混合陶瓷層。試驗(yàn)分析表明，微弧氧化初期由幾至十幾分鐘內(nèi)便可在鋁合金表面生長(zhǎng)出一層如圖1所示的致密陶瓷層，陶瓷膜層的硬度在1000HV以上，該陶瓷層不僅大大提高了鋁合金表面的耐磨、耐蝕性能，且由于組織上的微晶和非晶特性，其抗擦傷、沖擊和熱疲勞等能力也遠(yuǎn)非鉻化處理和陽(yáng)極氧化處理可比。

MAO處理后樣品表面均勻分布著微米尺寸量級(jí)盲性微孔（如圖2所示），為后續(xù)的噴粉（涂裝）處理提供了理想的表面狀態(tài)，增強(qiáng)了噴涂物與基體的結(jié)合力和為有潤(rùn)滑條件下連續(xù)油膜的形成提供了理想的表面狀態(tài)。不足電鍍硬鉻四分之一的處理成本及在小型鋁制汽油機(jī)缸體內(nèi)表面硬化處理的初步應(yīng)用成功預(yù)示著將可能在此行業(yè)完全替代電鍍硬鉻、化學(xué)鍍鎳和鑲嵌耐磨鑄鐵工藝。 降低成本的同時(shí)，也利于環(huán)境保護(hù)。

1.1.3 鋁合金陶瓷層的耐蝕性

圖3為微弧氧化及陽(yáng)極氧化陶瓷層在5 wt.% NaCl鹽霧中的腐蝕增重關(guān)系。從圖3中知，陽(yáng)極氧化陶瓷層在鹽霧腐蝕中的質(zhì)量變化關(guān)系與微弧氧化試樣的不同。前者腐蝕后增重量先正后負(fù)，且總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，說(shuō)明有大量的腐蝕產(chǎn)物從基體表面脫落。試樣腐蝕后的表面用肉眼能直接觀察到大片的脫層和裸露出的被腐蝕的基體。以質(zhì)量變化表示的腐蝕速度的缺點(diǎn)是沒(méi)把腐蝕深度表示出來(lái)。工程上，腐蝕深度或構(gòu)件腐蝕變薄的程度直接影響該部件的壽命，更具有實(shí)際意義。

根據(jù)金屬耐蝕性十級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，微弧氧化處理后的試樣在中性NaCl鹽霧介質(zhì)中屬Ⅳ類6等，是尚耐蝕的，并且根據(jù)金屬耐蝕性的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)微弧氧化處理后的試樣是可用的。據(jù)此，由微弧氧化表面處理的鋁合金是耐鹽霧腐蝕的，并且在該條件下是可用的。

為了與NaCl中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果比較，在交流阻抗測(cè)量中同樣以5 wt.%NaCl溶液作為電化學(xué)反應(yīng)池溶液。測(cè)量參數(shù)為：交流信號(hào)振幅，5mV；頻率，1000Hz；積分次數(shù)，1次，采用開路電位測(cè)量方式。阻抗測(cè)量結(jié)果用波特（BODE）曲線圖顯示。由SiO32-系列溶液進(jìn)行微弧氧化處理不同厚度試樣、陽(yáng)極氧化及未經(jīng)處理的鋁合金試樣，阻抗測(cè)量結(jié)果為圖4［1］。

如圖4所示，隨著頻率由高向低變化，經(jīng)過(guò)微弧氧化處理的試樣，阻抗由幾歐姆升高到幾千歐姆。在100 Hz時(shí)，比經(jīng)陽(yáng)極氧化處理和未經(jīng)處理的試樣的阻抗值高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。而且，微弧氧化層厚度也對(duì)阻抗值有顯著的影響。然而，陽(yáng)極氧化和未經(jīng)處理的鋁合金試樣阻抗值升高比較緩慢，變化較為平緩。

1.2 氟涂料涂覆工藝應(yīng)用

由于氟碳樹脂的熔點(diǎn)多在180～380℃之間，常溫下呈固態(tài)，需經(jīng)300℃以上的高溫才能形成膜層。近年來(lái)我國(guó)也有多家單位相繼成功開發(fā)了氟涂料，并實(shí)用化。通過(guò)氟樹脂與丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺等樹脂進(jìn)行化學(xué)改性的新涂料的不斷出現(xiàn)，不僅使涂層的附著力、易施工性得到提高，而且進(jìn)一步降低了價(jià)格，為其在大型電子設(shè)備中的推廣應(yīng)用提供了可能［2］。尤其是惡劣環(huán)境、海洋環(huán)境使用的設(shè)備為驗(yàn)證其防腐蝕性能，進(jìn)行了常溫人工氣候老化試驗(yàn)（2400 h）和鹽霧試驗(yàn)（1000 h），試驗(yàn)完成后，涂層表面無(wú)起泡、剝落、裂紋現(xiàn)象，完好如新，達(dá)到保護(hù)10級(jí)水平。由于氟涂料涂層超越的耐腐蝕性，可實(shí)現(xiàn)一次涂裝，終身免修的效果，值得注意的是：由于氟樹脂表面張力小，潤(rùn)濕困難，對(duì)金屬材料的結(jié)合性能很差，因此涂層對(duì)基材的附著力不是很好。為此，應(yīng)采取以下工藝措施提高涂層的附著力［3］：（1）粗化基材表面，將基材表面用物理或化學(xué)的方法粗化，產(chǎn)生錨定效應(yīng)，然后涂氟樹脂，常用的化學(xué)方法包括電解腐蝕和化學(xué)多孔膜法，常用的物理方法主要是表面機(jī)械處理，如滾花、拉絲等；或者采取噴砂（丸）工藝措施；（2）底漆法，先在基材上涂覆一層底漆，根據(jù)需要可以涂?jī)蓪踊蛉龑?，使底漆?duì)基材和氟樹脂均有良好的黏結(jié)性能，鐵質(zhì)材料一般為磷化底漆，鋁質(zhì)材料為鋅黃丙烯酸聚氨酯底漆。另外，噴面漆時(shí)，氟涂料應(yīng)用專用稀釋劑調(diào)配，控制好噴涂粘度，一般為15～18s，根據(jù)設(shè)備的使用環(huán)境要求，確定是噴一道面漆還是兩道面漆，通常一道漆的涂層厚度為23μm～33μm。氟涂料具體的涂裝工藝及涂層質(zhì)量檢驗(yàn)可按照油漆涂覆工藝執(zhí)行，氟涂料是符合環(huán)保要求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的新材料，在艦船、海防及野外固定電子設(shè)備應(yīng)推廣使用這種工藝，可做到一勞永逸，大大提高設(shè)備的可靠性與環(huán)境適應(yīng)性。

2 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)及在產(chǎn)品上的試用與使用，結(jié)果證明：這兩種工藝有利于提高大型電子設(shè)備的可靠性和三防性，非常有效解決了大型電子設(shè)備中零部件、整機(jī)的表面防護(hù)問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新型綠色環(huán)保工藝將會(huì)不斷出現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)及時(shí)吸收并應(yīng)用到項(xiàng)目研制中，這樣才能大大提高設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性能力。

［1］孫志華，劉明，王志申，等. 2A12鋁合金微弧氧化陶瓷層的電化學(xué)腐蝕行為［J］. 腐蝕與防護(hù)，2014，35（4）：352～354.

［2］胡志鵬. 我國(guó)氟涂料市場(chǎng)發(fā)展綜述［J］. 涂料與應(yīng)用，2006（4）：14～18.

［3］高延敏，王紹明，楊文杰，等. 氟涂料存在的問(wèn)題與對(duì)策及發(fā)展趨勢(shì)［J］. 現(xiàn)代涂料與涂裝，2006（6）：15～17.