AZ91D鎂合金微弧氧化過程中熄弧的初步探討

陳祥鳳

(臨沂科技職業學院 智能制造學系，山東 臨沂 276000)

鎂合金的比重比鋁合金還小，但是它的能量衰減系數大，而且具有優秀的電磁屏蔽等優點，作為2l世紀理想的電子產品外殼材料而廣為人知。然而，鎂合金的耐腐蝕性能不佳，在使用過程中應進行表面處理。以往的化學處理和陽極氧化膜層的厚度、耐腐蝕性能都存在一定的局限性[1]。微弧氧化技術是近年來在國內外新興的鎂合金的表面處理技術，其原理是根據脈沖電參數和電解液的匹配在陽極表面產生微電弧放電現象，在金屬表面原位生長陶瓷層[2-4]。

電弧的持續燃燒是維持微弧氧化中的膜層生長所必需的條件[5]。這是陶瓷層生長的必要條件，但持續的電弧會給工件帶來破壞。例如，白斑、孔等，直至工件廢棄。因此，應在工藝過程中進行強制熄滅電弧。目前，在鎂合金微弧氧化領域關于電弧控制的資料比較少[6]，所以本文將從電弧形態、熄弧機制、強制熄弧下膜層的性能等方面進行初步探討。

1 試驗材料與方法

本試驗選取AZ91D鑄造鎂合金作為試驗材料，其化學成分(質量分數)如下：Al為8.1%～9.3%，Zn為0.4%～1.0%[7]，其余為Mg。使用220 kW程序控制微弧氧化雙極脈沖電源進行微弧氧化處理，樣品為陽極，不銹鋼電解槽為陰極。樣品表面用120、600、1 000目水性砂紙依次打磨，擦拭清洗后，在電解槽中進行膜層生長[8]。電解液是以去離子水制成的硅酸鈉為主要溶液的硅酸鹽、氫氧化鈉、氟化鉀溶液。處理過程中用循環水冷卻，使電解液的溫度保持在25～35 ℃。使用TT260層疊數字渦流測量器測量陶瓷膜層的厚度；2206型表面粗糙度計測量陶瓷膜層的表面粗糙度；使用JSM2500LV型掃描電子顯微鏡觀察膜層的微觀形態；UNI-T3120C收集試驗中的電壓電流波形[9]。

2 結果與討論

2.1 強制熄弧與自然熄弧現象

自然熄滅電弧和強制熄滅電弧狀態下電火花有明顯的區別(見圖1)，主要表現在如下幾個方面。

1)尺寸：自然熄弧是比通常的起弧大得多的微小電弧，而且先從小點開始，然后迅速成長，變得越來越嚴重。

2)顏色：自然熄弧為黃色，強制熄弧為微小白色弧。

3)溫度：自然電弧產生局部消融現象，大電弧溫度遠低于通常的起弧的微電弧溫度，后者溫度達到8 000 K以上，前者低于8 000 K，該溫度不足以形成致密的氧化鎂陶瓷膜，但溫度比鎂合金的燃燒點高，快速燒蝕鎂合金試樣，造成試件損壞。

4)形狀：強制熄弧宏觀上顯示出規則的形狀，主要表現出能量最小方向的發展，而微上端顯示出不規則的鋸齒狀。

5)發展方向：自然電弧除了向周圍發展外，還向縱深方向發展，造成大面積、縱深方向的燒蝕、脫落。

6)產物：局部燒蝕后形成主要被疏散的氫氧化鎂和氧化鎂的混合物，該混合物與鎂合金矩陣沒有結合力，顆粒脫落，顏色為灰色。

圖2所示為自然熄弧和強制熄弧的狀態下，用微弧氧化處理10 min的工件的表面圖像。自然熄弧狀態下保持10 min，工作表面有明顯的燒蝕孔，表面有燒蝕后的殘渣殘留，一碰就會脫落，工件處于廢棄狀態。強制熄弧狀態下的工件表面光滑、細膩，致密的陶瓷膜與鎂合金基體緊密結合。

2.2 強制熄弧狀態下機理的初步探討

2.2.1 物理模型分析

微弧氧化初期的電壓較低，在鎂合金基板上形成陽極氧化膜，這個階段為陽極氧化階段。這是發生微電弧放電所必需的條件。在這個過程中電解水，AZ91D基板上產生大量氣體，如果電壓上升，氣體就會被破壞，形成電弧。

如果產生電弧，其消失有2種方法：一種是氣泡內的氣體完全燃燒，電弧自動熄滅，這種方式被稱為自然熄滅電??；另一種是氣泡內的氣體沒有完全燃燒，這時維持電弧燃燒的電壓消失，電弧消失。

自然熄滅電弧和強制熄滅電弧的控制由脈沖輸出電路的拓撲結構決定。只有正脈沖作用于工作臺時，正脈沖消失，電路中的電流在下一脈沖來之前來不及放電，直到氣體完全燃燒為止都會持續電離。這個狀態是自然消光電弧。加上下面的負脈沖交叉到工作臺上，負脈沖在正脈沖消失后作用于工作臺，由正脈沖形成的電流構成放電電路，瞬間電流下降到零，維持煤氣燃燒的電壓變為零，不放電。

2.2.2 波形分析

使用UNI-T3102C示波器，在自己設計的信號收集分離電路上采集電源輸出電壓、電流脈沖波形。一個測試器對電壓傳感器的負載進行電壓波形的測量(見圖3和圖4中的a部分)，另一個測試器與通過對霍爾電流傳感器施加負荷而測量的電流波形一致(見圖3和圖4中的b部分)。注：圖3和圖4中的a部分是電壓波形，b部分是電流波形。

圖3中，在自然熄滅電弧的狀態下，正脈沖消失后，電壓、電流緩慢下降，無法切斷氣體的持續燃燒。圖4中，在強制熄滅電弧狀態下，正脈沖消失后，加上負脈沖，構成工作臺和放電電路，電流通信速度下降為零，切斷氣體燃燒，能夠有效阻止測試塊的破壞。

2.3 強制熄滅電弧與自然熄滅電弧膜層厚度的比較

圖5所示為氧化膜層示意圖，可以看出氧化前后樣品外形尺寸的變化。圖5中的虛線表示樣品反應前的原始表面位置，h是氧化膜的總厚度。在微電弧氧化過程中，由于微電弧的放電作用，在表面形成放電通道，使等離子體產生，引起等離子體化學、電化學、熱化學等一系列反應，基體被氧化。

在2種熄滅電弧狀態下膜層厚度隨反應時間而變化的曲線如圖6所示，在第一期間階段(約20 min)，自然熄弧狀態下氧化膜的厚度大于強制熄弧狀態下氧化膜的厚度，但沒有非常明顯的區別。25 min后，強制熄弧的膜厚比自然熄弧的膜厚稍大，傾向于幾乎一致。結果表明：2種熄滅電弧的方法對鎂合金的微弧氧化膜層的厚度影響不大。這是因為作用于單位時間的工作的有效脈沖的數量相同，并且用于增加膜層厚度的能量也相同。

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)自然熄弧和強制熄弧狀態下電弧的形態有明顯的區別，發展方向表現為自然熄滅弧主要向周圍發展，強制熄滅弧主要向縱深發展。

2)2種熄弧方式對膜層厚度影響不大。

3)自然熄滅電弧獲得的陶瓷膜粗糙，表面有白色斑點、孔，有時會導致工件報廢。而強制熄弧狀態下形成的膜層表面相對光滑，陶瓷膜與基板緊密結合，性能良好。