負向電流對鋁合金微弧氧化膜的影響研究

摘要：本文研究了負向電流密度、頻率、占空比對微弧氧化膜層厚度，致密層和耐蝕性的影響，通過研究得到了負向電流參數對膜層影響規律： 在實驗研究范圍，增加鋁合金微弧氧化時的負向電流的密度，微弧氧化膜厚度逐漸增加，微弧氧化正向終止電壓也逐漸增加;致密層厚度和耐蝕性都隨著電流密度先增加后減少;負向電流占空比增加，會同時增加微弧氧化膜厚度，致密層比例;負向電流變化頻率對膜層厚度影響不大，但會影響膜層致密層厚度，隨著頻率增加，膜層致密層比例增加。

關鍵詞：微弧氧化?負向電流 致密層?耐蝕性

1 緒論

鋁及鋁合金的比強度高，產量和用量僅次于鋼鐵[1-2]。對鋁合金進行微弧氧化處理可以獲得更高的耐蝕性和耐磨性的氧化膜[3-4]。

鋁合金微弧氧化是利用400～ 600 V高壓電源[5-6]，在鋁合金表面放電并產生電火花，在瞬時高溫下發生物理反應和化學反應，生成Al2O3陶瓷層。微弧氧化過程是一個復雜的過程，除受電解液的組成、濃度和溫度影響外，電參數對微弧氧化膜的影響也很大[7-9]。隨著交流不對稱交流波形出現，負向電流成為微弧氧化電參數中的一個重要的影響因素[10-12]，因此本文通過調整微弧氧化過程中負向電流各個參數，研究負向電流對微弧氧化膜影響規律，為實際生產提供指導。

2.實驗

本實驗采用哈爾濱工業大學工藝技術研究院研制的WHD-30型微弧氧化電源、以2024鋁合金試樣做工作電極、316不銹鋼板為對電極。在無水乙醇中對試樣進行超聲波清洗10min除油，電解槽置于裝有循環冷水的冷卻槽中，槽液溫度控制在60℃以下。弧氧化處理后的樣品用去離子水超聲波清后取出并吹干。裝在密封袋中進行密封以備后續測試。本實驗所用的電解液配方。硅酸鈉3-8g/L、多聚磷酸鈉2-5g/L、四硼酸鈉2-5g/L、鎢酸鈉0.5-2g/L。

2.2微弧氧化膜的表征

采用時代公司的TT260型測厚儀，對所得微弧氧化膜層厚度進行測量。在試樣表面取不同部位測取5個點，然后取平均值作為微弧氧化陶瓷膜的厚度值。

采用點滴法測量微弧氧化膜層的耐腐蝕性能，定性分析及對比微弧氧化膜層的耐腐蝕性能。點滴實驗配方：濃鹽酸25 ml、重鉻酸鉀3 g，去離子水75 ml。

采用砂紙打磨法測量微弧氧化膜致密層，使用180目砂紙打磨，感覺磨不動后再使用800目細砂紙打磨20次，剩下的膜層厚度作為致密層厚度。

3結果與討論

3.1負向電流對微弧氧化膜層厚度對影響

實驗參數設定：微弧氧化電解液為Na2SiO3體系，頻率為500Hz，正向電流密度為24A/dm2。正向占空比為20%，反向占空比為30%，氧化時間為60min，負向電流分別為8 A/dm2、16 A/dm2、24 A/dm2、32 A/dm2、40 A/dm2。

負向電流密度從8A/dm2增大至40A/dm2時，膜層厚度由35.5μm逐漸增加到60μm，說明微弧氧化膜厚度隨負向電流密度的增加而增加。分析認為在電源正半波周期，鋁合金基體表面發生陽極反應，生成Al3+，一部分Al3+與吸附在陽極表面的陰離子（如OH-等）反應，生成氧化鋁和鋁硅酸鹽，沉積在試樣表面形成氧化膜，另一部分Al3+在正向電場作用下，擴散到電解液中，而在電源負半波周期，這部分Al3+又在負向電場的作用下被吸附至膜層表面，提高了Al3+的利用率，使得氧化物的生成量增加。

3.2負向電流密度對微弧氧化終止電壓對影響

負向電流密度由8 A/dm2升高到40 A/dm2，正向終止電壓由500V升逐漸高到590V。負向電流的引入，可以使膜層致密，本實驗也得到相同規律。微弧氧化膜致密度增加，必然電阻增加，因此正向電流密度不變的情況下，正向終止電壓隨負向電流密度升高而升高，

3.3負向電流對微弧氧化膜層致密層比例的影響

圖1為負向電流密度與膜層致密度的關系圖，從中可以看出負向電流從8 A/dm2增至32 A/dm2的過程中，致密層比例不斷增加，而當負向電流大于32 A/dm2時，其致密層比例減少。負向電流的引入，實現了電子在膜內的振蕩，導致膜層內部致密。同時負向電流也會使溶液中Al3+遷移到至膜層表面量增加，使得氧化物的生成量增加，而外層的氧化物結構疏松，導致致密層比例反而下降。

3.4負向電流對微弧氧化膜層耐蝕性的影響

從圖2中可以看出，氧化膜耐點滴時間呈先下降后上升再下降的趨勢，并沒有隨著厚度增加而增加，表現的規律與致密層變化規律相似。由此可以認為微弧氧化膜的耐蝕性主要由致密層厚度決定。

3.5負向電流對微弧氧化膜層表面形貌的影響

從圖3中可以看出，由隨著負向電流由8 A/dm2升高到40 A/dm2，鋁合金微弧氧化膜表面由粗糙變細膩再出現粗糙白斑。這是由于在負半波周期產生的負向電場將溶液中的SiO32-離子推離氧化膜表面，削弱了其在氧化膜表面的累積程度，致使氧化膜表面生成的顆粒狀SiO2減少;導致膜層粗糙度變低。但當負向電流密度過大時，負向電場會將溶液中的H+拉進膜層內部，甚至到達金屬基體與氧化膜的交界處而發生還原形成氫氣，這種形成在界面處的氫氣會破環氧化膜的致密性，導致部分膜層疏松，出現白斑。

3.6負向電流占空比對膜層厚度的影響

在電解液及其他參數一定條件下（負向電流18A/dm2，正向電流24A/dm2，頻率1000Hz，氧化時間60min），設定不同的負向電流占空比15%、20%、25%、30%、35%，對鋁合金進行微弧氧化處理。

圖3為膜層厚度隨負向占空比的變化曲線。從圖3中可以看出，膜層厚度與占空比密切相關。在正占空比一定的條件下，膜層厚度隨著負占空比的提高而提高，正占空比由15%時增加到30%時，膜層厚度由43.5μm增加到50μm，說明負占空比對鋁合金氧化膜層的形成有一定的促進作用。這是由于隨著負向脈沖占空比的增大，負向脈沖的作用時間增加，試樣表面發生析氫反應，在氧化膜和電解液截面之間形成一層氫氣膜，對下一個正半波周期的等離子形成起到促進作用，有助于微弧氧化膜的形成。因此，隨著負向占空比增大，氧化膜厚度有一定增加。當繼續增加占空比時，發現氧化膜厚度反而下降，主要原因是負向占空比變大后，用于成膜的正向電流導通時間相對變小。

3.7占空比對微弧氧化膜致密層比例的影響

圖4為負向電流占空比與微弧氧化膜致密層厚度之間的關系，從圖4可以看出占空比從15%增至35%的過程中，致密層比例不斷增加。三氧化二鋁膜是一種PN結半導體，正向電流通過它時，需要較高的電壓，為維持正常的正向電流，必須擊穿氧化膜才行，在膜內形成氣孔，導致膜層疏松。引入負向電流后，電子在膜內運動變得順利，正向電流放電變得容易，試樣表面的電火花變得細而多，氧化膜內部形成的氣孔少，因此隨著負向電流占空比增加致密層增加。

3.8頻率對膜層厚度的影響

頻率從250Hz增加到2250Hz，微弧氧化膜層的厚度在45-50um之間變化，頻率對于膜層厚度影響不明顯。主要原因是本次實驗電源設置的正向和負向電流為有效電流密度，使用低頻時，導通時間長，峰值電流低;使用高頻時，導通時間變短，但是峰值電流變大。因此改變電源頻率，并不會改變整體的通電量，氧化膜整體厚度基本不變。

3.9頻率對膜層致密層的影響

頻率從250Hz增加到2250Hz，膜層致密層比例不斷增加。從250Hz時的66%升高到2250Hz的82%。分析認為在通正電時微弧氧化膜內部的電子和通負電時的電子會隨著電源頻率的變化在氧化膜內部振蕩，頻率越高振蕩越快，在微弧氧化膜內部產生的溫度越高，越有利于膜內原子遷移和擴散，形成致密結構。

4 結論

在實驗研究范圍，增加鋁合金微弧氧化時的負向電流的密度，微弧氧化膜厚度逐漸增加，微弧氧化正向終止電壓也逐漸增加。致密層厚度和耐蝕性都隨著電流密度先增加后減少，說明膜層的耐蝕性與致密層厚度正相關。

負向電流密度較小時，微弧氧化膜表面較粗糙，隨著負向電流密度增加，微弧氧化膜表面粗糙度降低，當達到40 A/dm2時，試樣表面出現白斑。說明不能使用太大的負向電流密度。

負向電流占空比增加，會增加微弧氧化膜厚度，也會增加膜層的致密層比例。頻率變化對膜層厚度影響不大，但會影響膜層致密層厚度，隨著頻率增加，膜層致密層比例增加。

參考文獻

[1] 朱祖芳編著. 鋁合金陽極氧化工藝技術應用手冊[M].北京：冶金工業出版社， 2007.05.

[2]吳小源，劉志銘，劉靜安編著. 鋁合金型材表面處理技術[M]. 北京：冶金工業出版社， 2009.04.

[3] 朱祖芳主編. 鋁材表面處理[M]. 長沙：中南大學出版社， 2010.12.

[4] 朱祖芳主編. 鋁合金陽極氧化與表面處理技術[M]. 北京：化學工業出版社， 2004.07.

[5]陳妍君，馮長杰，邵志松，王春霞，周雅.鋁合金微弧氧化技術的研究進展[J].材料導報，2010，24（09）：132-136.

[6]楊鈿，周隆先.鋁合金微弧氧化技術應用研究[J].裝備環境工程，2013，10（06）：131-135+151.

[7] 洪尚坤，黎清寧，屈婧婧，黃煉，趙隆濱.陰陽極電流密度比對7075鋁合金微弧氧化陶瓷膜特性的影響[J].熱加工工藝，2015，44（02）：182-185.

[8]陳宏，馮忠緒，郝建民，等.負脈沖對鋁合金微弧氧化的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2007（01）：96-98.

[9]張欣盟，田修波，鞏春志，等.LY12鋁合金微弧氧化膜三維組織結構及占空比影響研究[J].稀有金屬材料與工程2010（S1）：369-373.

[10]潘明強，韋東波，遲關心，等.恒流微弧氧化工藝參數對膜層表面粗糙度的影響[J].材料保護，2009（07）29-32.

[11]楊靖，周慧玲，王軍華，等.電參數對LY12鋁合金微弧氧化成膜影響規律的研究[J].電加工與模具，2013，（03）：26-31.

[12]楊威，趙玉峰，楊世彥.微弧氧化電源特性和參數對膜層性能及電能消耗的影響[J].材料工程，2010（02）：86-90.

胡人權 邵志松 陳會亮 彭遠暉 王辰宇?南昌航空大學材料科學與工程 南昌