氧化終止電壓對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鋁合金作為實驗的基體材料。向以硅酸鈉、磷酸三鈉、無水碳酸鈉、氫氧化鈉四種主鹽為主反應體系的電解液中添加偏釩酸銨作為主著色鹽，通過微弧氧化處理在其表面產生黑色的陶瓷膜層。研究了氧化時間對膜層性能及顏色的影響，并對工藝參數進行了優化。

【關鍵詞】微弧氧化；氧化時間；黑色陶瓷膜層；鋁合金；微觀形貌

1、引言

黑色陶瓷膜具有獨特的光學功能和陶瓷性能，在材料的保護、光學性能與裝飾方面均有廣泛的應用。用傳統的陽極氧化技術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是利用含有著色鹽的電解液，通過微弧氧化技術在有色金屬表面原位制備各種顏色陶瓷膜的技術，利用該技術制備的黑色陶瓷膜層色澤穩定、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無論工藝還是性能方面，相比傳統的鋁合金著色技術都具有更大的優勢，是鋁合金著色處理的新方向。

2、試驗材料及方法

該實驗進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的長方體塊狀試樣。本實驗采用MAO-100D型全自動觸摸屏式交流微弧氧化電源，輸出波形為方波。主要電參數為：輸出電壓0～600V，輸出電流0～100A，占空比5～95%，頻率1000～2000Hz。

試驗過程：試樣的制備方法—電解液的配制—電參數的確定—微弧氧化處理—微弧氧化后處理。

3、實驗結果與分析

3.1終電壓對微弧氧化黑色陶瓷膜層厚度的影響

本實驗初步采用渦流測厚儀測量陶瓷層的厚度，它具有快速、方便、非破壞性的特點，特別適用于對產品進行快速無損的膜厚檢查。從整體上來看，膜層的厚度隨著終電壓的升高而逐漸增加，在各個不同的電壓段，膜層的增長速率并不相同。在起始階段，膜層厚度的增長速率較大，但隨著膜層的不斷生長，需要的能量越來越大，非線性增長的電壓在某些時候就不能滿足其能量的需求，根據大量實驗經驗表明，在260V、320V、380V電壓處，微弧氧化處理時，工件表面的弧點較其他電壓比較密集，故在這些電壓處膜層的厚度增長也比較快。所以，在使用微弧氧化電源時，使用手動調節在起弧后應盡量保持在260V、320V、380V處較長時間，獲得的膜層性能比較好。如若使用自動檔時，電壓設置也在這些電壓上。

圖1不同終電壓下的微弧氧化膜層厚度

3.2終電壓對微弧氧化黑色陶瓷膜層粗糙度的影響

由下圖可見，微弧氧化陶瓷膜的表面粗糙度隨著終電壓的增長近似呈線性增長。膜層的增厚過程是在極高的能量條件下陶瓷膜的重復擊穿過程。在起弧后，作用在膜層上的能量較低，產生的熔融物顆粒較少，膜層的表面粗糙度較低；隨著時間的延長，膜層表面的能量密度逐漸增大，熔融的氧化產物增多，并通過微孔噴射到表面。在電解液液淬作用下，氧化物冷卻凝固，并發生多次擊穿。在這種熔融、凝固、再熔融、再凝固的過程中，產生的氧化物顆粒黏附在陶瓷層表面的數量增多，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氧化時間對微弧氧化黑色陶瓷膜層耐腐蝕性的影響

本實驗采用電化學工作站對微弧氧化黑色膜試樣及未處理的LY12試樣進行動電位極化曲線測試，采用三電極體系，試樣為工作電極，對電極為鉑電極，參比電極為甘汞電極。試驗介質為3.5wt%NaCl的中性溶液。采用電化學工作站Tafels slope測量程序對動電位極化曲線進行分析，用線性回歸方法計算出極化曲線上陰極極化曲線和陽極極化曲線的Tafel斜率，這兩段線性Tafel斜率的交點對應的 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價指標之一，其大小可反應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。 為開路電位，可直接從電化學測量程序中讀取。

圖3 不同終電壓下的膜層動電位極化曲線

表1不同氧化時間的微弧氧化黑色膜的動電位極化參數

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。腐蝕電位顯示，隨這終電壓的增長，耐蝕性一直增強。腐蝕電流密度一直增加，也表明耐蝕性也一直增強。

4、結論

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

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

（3）其耐蝕性隨著電壓的增長一直增強。當終電壓達到400V時，制備出的膜層較厚，也比較光滑，致密性好，耐蝕性也好。

【參考文獻】

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