兩種新工藝在熱帶海洋氣候下的應用探討

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，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。通過試驗、試用證明：這兩種新工藝對提高大型電子設(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、臺風及強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)復雜，在熱帶，雨后會形成高溫、高濕的環(huán)境，對環(huán)境適應性防護提出了更高的要求。本文針對濕度大于98%，暴雨、大風、高溫、高濕以及有強滲透力的熱帶海洋氣候特征，采用傳統(tǒng)工藝防護效果不太理想，促使人們進一步探索新工藝、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)境防護難題。

1 工藝介紹

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，以及材料科學研究的不斷深入，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)較廣泛的應用。經(jīng)試驗、試用和使用，這兩種新工藝對解決在熱帶海洋氣候下大型電子設(shè)備的表面防護具有很好的效果。

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陶瓷膜的高新技術(shù)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)的陽極氧化電流、電壓法拉第區(qū)域的限制，陽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態(tài)防腐要求，從處理工藝上可實現(xiàn)整體大面積防護處理，并消除了環(huán)境污染，處理成本遠低于激光、電子束表面處理等干法技術(shù)。預計該技術(shù)在航空、航天、機械、電子、裝飾等領(lǐng)域都將有廣闊的應用前景。

1.1.1 生長特性

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，當陽極氧化電壓超過某一臨界值后，該絕緣氧化膜層相對薄弱部位被擊穿，在較高的陽極氧化電壓下，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。每個弧點存在的時間很短，但等離子體放電區(qū)瞬間溫度很高，Van認為瞬間溫度超過2000 ℃，Krysmann計算出其溫度可達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極區(qū)產(chǎn)生微弧放電，使陽極表面微區(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非鉻化處理和陽極氧化處理可比。

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)，增強了噴涂物與基體的結(jié)合力和為有潤滑條件下連續(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缸體內(nèi)表面硬化處理的初步應用成功預示著將可能在此行業(yè)完全替代電鍍硬鉻、化學鍍鎳和鑲嵌耐磨鑄鐵工藝。 降低成本的同時，也利于環(huán)境保護。

1.1.3 鋁合金陶瓷層的耐蝕性

圖3為微弧氧化及陽極氧化陶瓷層在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，且總體呈現(xiàn)下降趨勢，說明有大量的腐蝕產(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是沒把腐蝕深度表示出來。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，更具有實際意義。

根據(jù)金屬耐蝕性十級標準，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)金屬耐蝕性的三級標準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中性鹽霧腐蝕試驗的結(jié)果比較，在交流阻抗測量中同樣以5 wt.%NaCl溶液作為電化學反應池溶液。測量參數(shù)為：交流信號振幅，5mV；頻率，1000Hz；積分次數(shù)，1次，采用開路電位測量方式。阻抗測量結(jié)果用波特（BODE）曲線圖顯示。由SiO32-系列溶液進行微弧氧化處理不同厚度試樣、陽極氧化及未經(jīng)處理的鋁合金試樣，阻抗測量結(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，比經(jīng)陽極氧化處理和未經(jīng)處理的試樣的阻抗值高2～3個數(shù)量級。而且，微弧氧化層厚度也對阻抗值有顯著的影響。然而，陽極氧化和未經(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 氟涂料涂覆工藝應用

由于氟碳樹脂的熔點多在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。近年來我國也有多家單位相繼成功開發(fā)了氟涂料，并實用化。通過氟樹脂與丙烯酸、聚氨酯、聚酰胺等樹脂進行化學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，而且進一步降低了價格，為其在大型電子設(shè)備中的推廣應用提供了可能［2］。尤其是惡劣環(huán)境、海洋環(huán)境使用的設(shè)備為驗證其防腐蝕性能，進行了常溫人工氣候老化試驗（2400 h）和鹽霧試驗（1000 h），試驗完成后，涂層表面無起泡、剝落、裂紋現(xiàn)象，完好如新，達到保護10級水平。由于氟涂料涂層超越的耐腐蝕性，可實現(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，潤濕困難，對金屬材料的結(jié)合性能很差，因此涂層對基材的附著力不是很好。為此，應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的方法粗化，產(chǎn)生錨定效應，然后涂氟樹脂，常用的化學方法包括電解腐蝕和化學多孔膜法，常用的物理方法主要是表面機械處理，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)需要可以涂兩層或三層，使底漆對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，氟涂料應用專用稀釋劑調(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)保要求和國民經(jīng)濟可持續(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)境適應性。

2 結(jié)束語

經(jīng)過多年的試驗及在產(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、整機的表面防護問題。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，新型綠色環(huán)保工藝將會不斷出現(xiàn)，設(shè)計人員應及時吸收并應用到項目研制中，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腐蝕行為［J］. 腐蝕與防護，2014，35（4）：352～354.

［2］胡志鵬. 我國氟涂料市場發(fā)展綜述［J］. 涂料與應用，2006（4）：14～18.

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