陳祥鳳

(臨沂科技職業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)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(shù)大，而且具有優(yōu)秀的電磁屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，作為2l世紀(jì)理想的電子產(chǎn)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(yīng)進(jìn)行表面處理。以往的化學(xué)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(shù)是近年來在國內(nèi)外新興的鎂合金的表面處理技術(shù)，其原理是根據(jù)脈沖電參數(shù)和電解液的匹配在陽極表面產(chǎn)生微電弧放電現(xiàn)象，在金屬表面原位生長陶瓷層[2-4]。

電弧的持續(xù)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(xù)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(yīng)在工藝過程中進(jìn)行強(qiáng)制熄滅電弧。目前，在鎂合金微弧氧化領(lǐng)域關(guān)于電弧控制的資料比較少[6]，所以本文將從電弧形態(tài)、熄弧機(jī)制、強(qiáng)制熄弧下膜層的性能等方面進(jìn)行初步探討。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)選取AZ91D鑄造鎂合金作為試驗(yàn)材料，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(jìn)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(jìn)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(huán)水冷卻，使電解液的溫度保持在25～35 ℃。使用TT260層疊數(shù)字渦流測量器測量陶瓷膜層的厚度；2206型表面粗糙度計(jì)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(tài)；UNI-T3120C收集試驗(yàn)中的電壓電流波形[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)制熄弧與自然熄弧現(xiàn)象

自然熄滅電弧和強(qiáng)制熄滅電弧狀態(tài)下電火花有明顯的區(qū)別(見圖1)，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)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(diǎn)開始，然后迅速成長，變得越來越嚴(yán)重。

2)顏色：自然熄弧為黃色，強(qiáng)制熄弧為微小白色弧。

3)溫度：自然電弧產(chǎn)生局部消融現(xiàn)象，大電弧溫度遠(yuǎn)低于通常的起弧的微電弧溫度，后者溫度達(dá)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(diǎn)高，快速燒蝕鎂合金試樣，造成試件損壞。

4)形狀：強(qiáng)制熄弧宏觀上顯示出規(guī)則的形狀，主要表現(xiàn)出能量最小方向的發(fā)展，而微上端顯示出不規(guī)則的鋸齒狀。

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

6)產(chǎn)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(jié)合力，顆粒脫落，顏色為灰色。

圖2所示為自然熄弧和強(qiáng)制熄弧的狀態(tài)下，用微弧氧化處理10 min的工件的表面圖像。自然熄弧狀態(tài)下保持10 min，工作表面有明顯的燒蝕孔，表面有燒蝕后的殘?jiān)鼩埩?，一碰就會脫落，工件處于廢棄狀態(tài)。強(qiáng)制熄弧狀態(tài)下的工件表面光滑、細(xì)膩，致密的陶瓷膜與鎂合金基體緊密結(jié)合。

2.2 強(qiáng)制熄弧狀態(tài)下機(jī)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(gè)階段為陽極氧化階段。這是發(fā)生微電弧放電所必需的條件。在這個(gè)過程中電解水，AZ91D基板上產(chǎn)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(chǎn)生電弧，其消失有2種方法：一種是氣泡內(nèi)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(nèi)的氣體沒有完全燃燒，這時(shí)維持電弧燃燒的電壓消失，電弧消失。

自然熄滅電弧和強(qiáng)制熄滅電弧的控制由脈沖輸出電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定。只有正脈沖作用于工作臺時(shí)，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(xù)電離。這個(gè)狀態(tài)是自然消光電弧。加上下面的負(fù)脈沖交叉到工作臺上，負(fù)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(gòu)成放電電路，瞬間電流下降到零，維持煤氣燃燒的電壓變?yōu)榱?，不放電?/p>

2.2.2 波形分析

使用UNI-T3102C示波器，在自己設(shè)計(jì)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(gè)測試器對電壓傳感器的負(fù)載進(jìn)行電壓波形的測量(見圖3和圖4中的a部分)，另一個(gè)測試器與通過對霍爾電流傳感器施加負(fù)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(tài)下，正脈沖消失后，電壓、電流緩慢下降，無法切斷氣體的持續(xù)燃燒。圖4中，在強(qiáng)制熄滅電弧狀態(tài)下，正脈沖消失后，加上負(fù)脈沖，構(gòu)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(qiáng)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(yīng)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(chǎn)生，引起等離子體化學(xué)、電化學(xué)、熱化學(xué)等一系列反應(yīng)，基體被氧化。

在2種熄滅電弧狀態(tài)下膜層厚度隨反應(yīng)時(shí)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(tài)下氧化膜的厚度大于強(qiáng)制熄弧狀態(tài)下氧化膜的厚度，但沒有非常明顯的區(qū)別。25 min后，強(qiáng)制熄弧的膜厚比自然熄弧的膜厚稍大，傾向于幾乎一致。結(jié)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?yàn)樽饔糜趩挝粫r(shí)間的工作的有效脈沖的數(shù)量相同，并且用于增加膜層厚度的能量也相同。

3 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)自然熄弧和強(qiáng)制熄弧狀態(tài)下電弧的形態(tài)有明顯的區(qū)別，發(fā)展方向表現(xiàn)為自然熄滅弧主要向周圍發(fā)展，強(qiáng)制熄滅弧主要向縱深發(fā)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(diǎn)、孔，有時(shí)會導(dǎo)致工件報(bào)廢。而強(qiáng)制熄弧狀態(tài)下形成的膜層表面相對光滑，陶瓷膜與基板緊密結(jié)合，性能良好。