工藝參數對接觸網鋁合金件微弧氧化的影響

閆軍芳，路海健

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工藝參數對接觸網鋁合金件微弧氧化的影響

閆軍芳，路海健

針對目前既有開通高鐵及客專電氣化鐵路接觸網用鋁鎂硅鋁合金鑄鍛件在復雜、特殊污染環境線路上出現的腐蝕現象，對其采取了表面微弧氧化防腐耐磨工藝處理，通過分析微弧氧化過程中處理液的成分、處理溫度、電流密度、氧化處理時間及封閉工藝對微弧氧化膜層的影響，最終選擇確定一種性能優良、工藝能耗低的鋁鎂硅鋁合金鑄鍛件表面微弧氧化膜層制備工藝。

工藝參數；接觸網；鋁合金；鑄鍛件；微弧氧化；影響

0 引言

在環境惡劣地區運行的電氣化鐵路，如沿海地區和隧道內的強堿性滴漏區、化工企業周邊區段以及空氣中含有鹽、堿和酸性等腐蝕性物質的區段，接觸網鋁合金零部件在使用過程中存在較為嚴重的腐蝕問題，常常存在“表面發霉”粉狀霉點腐蝕以及表面處理層剝落等問題，影響服役安全性，對高鐵的運營安全存在較大的安全隱患。接觸網鋁合金件防腐蝕問題已引起業內人士的高度重視。

微弧氧化技術是一種直接在輕金屬表面原位生長陶瓷膜的綠色環保表面處理技術。其原理是將鋁合金零部件采用特殊的掛具懸掛后放置于電解質溶液中，表面受端電壓作用產生微弧放電，微弧放電所產生的高溫高壓使鋁合金零部件表面的鋁原子與溶液中的氧結合生成以氧化鋁為主要成分的陶瓷層，在鋁合金零部件表面形成燒結的氧化陶瓷膜。氧化陶瓷膜與鋁合金零部件基體之間達到了類似于冶金結合的狀態，具有很高的結合強度。陶瓷膜化學性能穩定，硬度高，具有很好的防腐、耐磨特性，處理過程不會出現環境污染問題。

微弧氧化技術需要依據耐腐蝕的性能要求，研發適應的電解液體系和處理工藝，控制和優化槽液配方及溫度、電流密度、氧化時間及后續封閉工藝，在保證防腐性能的前提下，最大限度地降低處理工藝的電耗成本，以獲得良好的技術經濟效果。

1 微弧氧化處理技術特點及設備

1.1 技術特點

微弧氧化技術突破了傳統陽極氧化電流、電壓的限制，把陽極電位由幾十伏提高到幾百伏，氧化電流也從小電流發展到大電流，由直流發展到交流，使鋁合金零部件表面出現電暈、輝光、微弧放電甚至弧光放電等現象。形成的微弧氧化膜層結構與燒結陶瓷的結構相似，厚度可以由硬質氧化的幾十mm增加到200mm以上。

微弧氧化技術的突出特點：（1）表面硬度較高，達到硬質合金的水平，大大超過了熱處理后的高碳鋼、高合金鋼和高速工具鋼的硬度。（2）微弧氧化膜層具有良好的耐磨損性能，可以緩解接觸網鋁合金零部件之間的微動磨損。（3）氧化膜層具有良好的耐熱性及抗腐蝕性，從根本上克服了鋁合金材料在高速電氣化鐵路應用中的缺點，因此該技術具有廣闊的應用前景。（4）微弧氧化處理電解液滿足環保要求，無污染，符合環保排放標準規定。（5）微弧氧化處理工藝操作簡單，參數穩定可靠，設備簡單易制造；處理工藝在常溫下即可進行，操作方便，易于掌握。（6）微弧氧化處理產生的陶瓷膜層與鋁合金基體結合牢固，膜層組織致密均勻。

1.2 設備特點

微弧氧化設備電源采用三相380 V電壓；因電壓要求較高（一般在510～700 V之間），需專門定制，通常配備硅變壓器。電源輸出電壓：0～750 V，可調電源輸出最大電流：5、10、30、50、100 A等可選。槽體選用PP、PVC等材質，外套采用不銹鋼加固，可外加冷卻設施或配備冷卻內膽。掛具可選用鋁或鋁合金材質，陰極材料選用不溶性金屬材料，推薦使用不銹鋼。

2 微弧氧化處理工藝參數及影響因素

2.1 微弧氧化處理槽液成分的影響

微弧氧化槽液成分對微弧氧化膜層的性能通常有比較大的影響，通過調整槽液的成分可獲得滿足不同性能要求的微弧氧化膜層，所以在槽液中加入不同的化合物添加劑可以滿足不同防腐要求和耐磨性能需要。不同槽液種類對微弧氧化制備的陶瓷膜硬度的影響趨勢相似。

下文選取硅酸鹽與磷酸鹽體系的2種處理槽液進行對比研究。

工藝處理結果顯示：當處理的鋁鎂硅鋁合金工件面積較小時，材料在2種體系的電解液中均可以正常生成微弧氧化膜層（圖1 a），但是在同種處理條件下，生成相同厚度的微弧氧化膜層時，硅酸鹽處理槽液生成的微弧氧化膜層表面質量要明顯好于磷酸鹽處理槽液；當處理面積較大時，磷酸鹽槽液處理工件表面容易產生白斑（圖1 b），用砂紙打磨發現白斑向基體內生長較深，斑點與基體結合力較好，但氧化膜層生長不連續。另外，硅酸鹽槽液十分穩定，經測試，放置90 d后仍可繼續使用，能夠滿足產業化需求。

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2.2 微弧氧化處理槽液溫度的影響

鋁鎂硅鋁合金鑄鍛件在微弧氧化處理工藝執行過程中，由于生成的微弧氧化膜層電阻較大，會產生較大的熱量，導致處理槽液溫度升高，通過微弧氧化膜層的電流產生的熱量與電流、電阻和微弧氧化處理的時間有關。

下文分析在電流密度為8 A/dm2，微弧氧化處理時間為45 min的條件下，微弧氧化槽液的溫度對微弧氧化膜層厚度的影響。研究使用的設備具有冷卻循環裝置，通過調節冷卻循環水的流量控制微弧氧化槽液的溫度在20℃～30℃之間。對比有冷卻和無冷卻循環裝置條件下，微弧氧化膜層的厚度隨處理時間的變化如圖2所示。

圖2 微弧氧化槽液溫度隨時間延長對膜層厚度的影響圖

在3種條件下，氧化膜層的厚度都隨著微弧氧化處理時間的延長而呈正比增厚。在微弧氧化處理的前20 min內，沒有冷卻循環裝置條件下的微弧氧化膜層厚度稍高于有冷卻循環裝置的微弧氧化膜層的厚度；隨著微弧氧化處理時間的持續延長，沒有冷卻循環裝置條件下的微弧氧化膜層厚度則低于有冷卻循環裝置的微弧氧化膜層的厚度；在整個處理過程中，處理槽液溫度為30℃時生成的厚度大于處理槽液溫度為20℃時生成的厚度。

微弧氧化膜層的增厚過程是生長過程和溶解過程動態平衡的結果，即厚度的增長速度取決于生長速度和溶解速度的大小。在微弧氧化處理的前20 min內，由于微弧氧化處理過程屬于放熱反應，沒有冷卻循環裝置時處理的溫度約為38℃，高于有冷卻循環裝置的微弧氧化處理液溫度，即氧化膜層生長速度隨溫度的升高而提高。原因就是微弧氧化膜層的生長速度不僅與氧離子向零部件內部擴散的速度有關，還與微弧氧化處理槽液中氧離子的濃度、化學勢和向零部件表面的擴散速度有關，這三方面都和微弧氧化處理槽液的溫度息息相關。

在顯微鏡下觀察微弧氧化膜層的外觀，具備冷卻循環裝置的生產過程形成的微弧氧化膜層致密，表面粗糙度低。主要是因為微弧氧化處理初期放出的熱量很快被冷卻散失，使膜層在高溫下易于燒結沉積，微弧氧化膜層厚度增加速度快；而沒有冷卻循環裝置的微弧氧化膜層顯微鏡下外觀疏松，膜層表面粗糙度高。主要原因是微弧氧化處理槽液中電解質向零部件表面沉積較多而導致產品表面粗糙。

在沒有冷卻循環裝置的微弧氧化處理過程中，微弧氧化槽液的溫度在超過30℃時，槽液在產品表面容易產生飛濺，不僅加快了微弧氧化膜層的溶解速度，而且導致處理槽液的損耗加大，造成槽液中電解質濃度減小，使微弧氧化膜層質量下降。同時，微弧氧化處理槽液沒有冷卻循環作用時溫度比較高，微弧氧化膜層容易被高壓電弧局部燒焦和擊穿。因此，鋁合金零部件微弧氧化過程必須配置一個冷卻效果良好的冷卻循環裝置。

2.3 電流密度的影響

處理槽液配方選定后，微弧氧化膜層的生長速率與電流密度密切相關，同時電流密度對氧化膜層的厚度和表面質量也產生至關重要的影響。為確定最佳電流密度范圍，處理過程中選取了4、8、16、20、40 A/dm2等多種電流密度進行小試樣微弧氧化實驗。結果顯示，試樣表面電流和電壓的變化趨勢相同，只是快慢程度不同。微弧氧化膜層形成初期，電流隨時間變化曲線如圖3所示。在氧化時間一定的情況下，隨著電流密度的增大，工件表面起弧電壓提高，也就是達到擊穿鋁合金零部件表面的時間縮短，處理工藝的初期氧化階段提前進入微弧處理過程，這時電壓不再提高。這主要是和微弧氧化電流密度高，在同樣的氧化時間內，氧化膜層厚度較高有關。但是，電流密度也不可過大，因為在相同的微弧氧化處理時間內，工藝過程的第三階段弧光放電過程時間增加，微弧氧化膜層形成過程中會產生體積大、顏色桔紅、數量少而且緩慢游動的火花，這種狀態保持時間延長，將使微弧氧化膜層變得粗糙多孔，表面光潔度降低。因此，如果在長時間工況下一味提高電流密度對氧化層的表面狀態將產生不利的影響。

圖3 電流隨時間變化曲線圖

微弧氧化膜層的生長速率衡量方法是以一定時間段內生長的微弧氧化膜層厚度來表達。圖4為微弧氧化處理時間20 min內，鋁鎂硅鋁合金工件氧化膜層厚度隨電流密度的變化關系。由圖4可知，電流密度越大，成膜速率越快，但電流密度過大時，氧化膜層生長質量下降，容易出現局部燒蝕或剝落，并且在相同的微弧氧化處理時間下，電流密度提高，耗電量增大，微弧氧化處理成本增加。

在工藝試制過程中，電流密度提高到20 A/dm2時，微弧氧化處理槽底部生成了少量的不溶性固體顆粒，這些顆粒就是被超大能量微弧剝落的氧化膜層物質。在上述試驗的基礎上，將試樣表面的電流密度提高到40 A/dm2，發現在微弧氧化處理約 20 min時，微弧氧化過程由火花放電階段進入弧光放電階段，弧光放電過程中強烈的電弧對氧化膜層造成極大的沖擊破壞，并使氧化膜層脫落。綜上分析可知，電流密度過低，則膜層生產速率下降；電流密度過高，則膜層質量下降。

圖4 微弧氧化過程中電流密度和膜層厚度曲線圖

因此鋁鎂硅鋁合金要想獲得厚度和表面質量良好的微弧氧化膜層，電流密度應控制在4～ 8 A/dm2范圍內。

2.4 微弧氧化處理時間的影響

在微弧氧化處理過程中，微弧氧化膜層的厚度隨著處理時間的長短而有所變化，微弧氧化處理時間沒有達到80 min時，隨氧化時間的延長，微弧氧化膜層的厚度也隨著增厚；而微弧氧化處理時間在80 min之后，微弧氧化膜層的厚度不再發生變化。觀察微弧氧化膜層的外觀質量，在氧化時間較短時，氧化膜層的致密性和光滑均勻程度較好，隨著氧化時間的延長，微弧氧化槽液的溫度升高，氧化膜層的厚度增加，膜層表面變得越來越粗糙，當氧化時間超過80 min時，零部件邊緣的微弧氧化膜層的表面會出現明顯的破壞，其原因是較大的電弧光點長時間駐留在試樣邊緣擊穿和燒蝕所致。鋁合金微弧氧化膜層的厚度隨微弧氧化處理時間的變化關系如圖5所示。

圖5 膜層的厚度隨微弧氧化處理時間的變化曲線圖

從微弧氧化處理研究結果中可以看出，氧化處理時間是影響微弧氧化膜層的一個主要因素，但是過長的氧化處理時間會導致微弧氧化膜層表面粗糙，并且還會降低微弧氧化生產效率，提高處理成本，因此在微弧氧化工藝過程中要綜合考慮，根據使用要求確定經濟適宜的處理時間。

2.5 后續封閉處理的影響

由于微弧氧化膜層是一種多孔陶瓷膜層，不做封孔處理時膜層的耐蝕性有所降低，膜層表面較粗糙，呈現凹凸不平的熔融狀態特征，分布著孔徑不等、類似火山口的微孔，這些微孔一旦與金屬基體相連，使液體容易通過微孔達到鋁合金基體，導致氧化膜層龜裂、脫落，從而影響性能，因此必須對微弧氧化膜層進行封孔處理。

目前對鋁合金微弧氧化膜層的封孔方法的研究較少，如采用沸水封孔、樹脂噴涂固化封孔。由于微弧氧化膜層孔徑較大，部分孔洞貫穿整個氧化膜層，沸水封孔難以實現對微弧氧化膜層的有效封孔；樹脂噴涂固化封孔，設備投入較多，成本較高。

通過多種封孔工藝的試驗對比，最終選擇采用鎳鹽、溶劑與促進劑配制的溶液作為封孔劑。在一定溫度下按照規定的比例進行配置，靜置一段時間后，在常溫下對微弧氧化處理后的零部件采用浸泡的方式封孔，然后進行烘干。干燥后的封孔劑在鋁合金零部件微弧氧化膜層表面的微孔中形成吸附結晶填充物而達到封孔的目的。與現有技術相比，封孔劑常溫下即可操作，封孔效果好，簡單易行，對微弧氧化膜層硬度沒有影響，同時還能提高氧化膜層的耐腐蝕性。

3 結語

采用硅酸鈉溶液作為鋁鎂硅鋁合金微弧氧化用處理液可在工件表面制備出均勻一致的氧化膜層；電流密度控制在4～8 A/dm2；在微弧氧化工藝過程中進行強制冷卻，合適的冷卻溫度為30℃左右；處理時間由電源功率和處理工作面積決定，以氧化膜層厚度達到10～15mm為指標；在滿足電氣化鐵路鋁鎂硅鋁合金鑄鍛件表面防腐處理要求的基礎上，可進一步提高處理效率，降低處理成本。

[1] 德云，東青，陳傳忠. 微弧氧化技術的研究進展[J]. 硅酸鹽學報，2005，33（9）：1133-1138.

[2] 賀子凱，唐培松. 溶液體系對微弧氧化陶瓷膜的影響[J].材料保護，2001，34（11）：12-13.

With regard to corrosions to overhead contact system casting and forging parts of Al-Mg-Si aluminum alloy for high speed railway line and dedicated passenger line in complicate and polluted environment, a superficial micro-arc oxidation process for anti-corrosion and abrasion-resistance has been taken. On the basis of analyzing the ingredients of treating fluid, treating temperature, electric current density, oxidation and treating duration as well as the effects to the micro-arc oxidation film caused by sealing technology during processing of micro-arc oxidation, and a process, advantageous in property with technology of low energy consumption, for manufacturing and preparation of micro-arc oxidation film on surface of Al-Mg-Si aluminum alloy casting and forging parts, has been determined and finalized.

Process parameters; overhead contact system; aluminum alloy; casting and forging parts; micro-arc oxidation; effects

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1007-936X(2017)02-0048-04

閆軍芳.寶雞保德利電氣設備有限責任公司，工程師，電話：13892423344；路海健.寶雞保德利電氣設備有限責任公司，工程師。

2016-06-24