什麼是微弧氧化？它的工作原理是什麼？

航空航太、汽車和電子產業對鋁合金和鈦合金等輕質耐腐蝕材料的需求持續成長。然而，這些材料固有的軟性和較差的耐腐蝕性常常限制了它們在嚴苛環境下的性能。為了克服這些限制，先進的表面改質技術至關重要。本文將探討微弧氧化工藝，該工藝能夠顯著提升這些關鍵輕金屬的表面性能。

微弧氧化概述

微弧氧化（MAO）是一種先進的電化學表面處理製程。它用於在鋁、鎂、鈦等有色金屬及其合金表面形成特定厚度的堅固陶瓷膜。該工藝透過使金屬在合適的電學參數下與電解液中的溶質發生反應來實現。

此技術應用於鋁及其合金時，可生長出一層主要由氧化鋁（Al₂O₃）組成的陶瓷薄膜。這種塗層具有優異的耐磨性和耐腐蝕性。此外，透過調節電解液的電學參數和化學成分，可以自訂其性能和顏色。

特徵：

微弧氧化技術應用於鋁及其合金的表面硬化處理，具有顯著的工業優勢，包括工藝簡單、佔地面積小、加工能力強、生產效率高，並且適合大規模工業製造。

從環境角度來看，MAO電解液不含毒性物質或重金屬元素。此電解液具有很高的抗污染性和回收/再利用率，從而最大限度地減少了環境污染。這符合高品質、清潔生產的要求以及永續發展策略。

經MAO處理後在鋁基底上形成的陶瓷薄膜具有優異的性能，例如：

• 高硬度： 高達 1200 HV（維氏硬度）。
• 耐腐蝕性強： 經 CASS（銅加速醋酸鹽噴霧）測試結果證明，耐久性超過 480 小時。
• 優良的絕緣性： 薄膜電阻大於 100 mΩ。
• 附著力強： 薄膜與基體金屬之間具有極佳的結合強度。
• 良好的性能： 具有良好的耐磨性和抗熱衝擊性。

下表清楚地說明了微弧氧化製程相比傳統陽極氧化製程具有更優越的性能：

微弧氧化製程具有強大的製程能力和多功能性。透過調整製程參數，可以獲得不同特性的薄膜，以滿足各種需求。此外，透過改變或調節電解液的成分，可以賦予塗層特定的性能或不同的顏色。還可以使用不同的電解液對同一工件進行多次微弧氧化處理，從而製備出具有不同性能的多層陶瓷氧化物薄膜。

微弧氧化技術的應用

由於上述優越的優勢和特點，MAO 技術在機械、紡織、電子、航空航太、建築/土木工程等工業領域具有極為廣泛的應用前景。

它的主要應用包括對鋁基部件進行表面硬化處理，這些部件需要具備優異的耐磨性、耐腐蝕性、抗熱衝擊性和高電絕緣性。

微弧氧化技術對於建築和土木工程行業中使用的鋁基材料的表面處理也極具價值，因為這些材料對裝飾性、耐磨性和抗腐蝕性要求很高。此外，它還可以用於強化一些無法透過傳統陽極氧化有效處理的特殊鋁基合金。

應用實例：

• 汽車：鋁製活塞、活塞座、汽缸本體及其他零件。
• 機械化工業：各種鋁模具，以及鋁罐/容器的內壁。
• 航空航太：各種鋁製零件，例如貨艙地板、滾輪和導軌。
• 消費品產業：各種鋁製五金產品、健身器材等。

微弧氧化機理

微弧氧化是從傳統的陽極氧化製程發展而來的，其機制相當複雜。

傳統陽極氧化製程在法拉第區進行。隨著金屬陽極電位的升高，電流也隨之增加。當電壓夠高時，製程進入電火花放電區，此時金屬表面會出現電暈、輝光和火花放電等現象。輝光放電是一種低溫工藝，對氧化膜結構的影響極小；而火花放電則涉及微區、高溫、高壓的等離子體放電。這種極高的溫度不僅會改變氧化膜的結構，而且不會對鋁合金基體造成破壞性損傷。

以鋁為例，其陽極氧化膜初始主要由非晶態Al₂O₃、Al₂O₃和AlOOH組成。在微區、高溫、高壓等離子體放電的作用下，鋁陽極氧化膜發生相變和結晶過程，轉化為γ-Al₂O₃和α-Al₂O₃。由此形成具有高硬度（可達2000 HV以上）和優異耐腐蝕性的微弧陶瓷氧化膜。

微弧氧化工藝

鋁及其合金的微弧氧化製程主要包括三個階段：鋁基體的預處理、微弧氧化製程本身及後處理。

一般流程如下：

前處理

鋁合金長時間暴露在空氣中極易氧化，形成一層薄薄的鈍化膜（厚度僅數微米）。此外，此表面也容易吸收周圍環境中的雜質，形成表面吸附層。為了確保最終的陶瓷膜具有最佳的機械性能，在進行微弧氧化（MAO）製程之前，必須對樣品表面進行脫脂預處理。

微弧氧化

MAO的基本設備配置與傳統的陽極氧化大致相似，包括氧化槽、電源和溶液冷卻攪拌系統。

• 氧化槽： 通常由不銹鋼焊接而成，外部包裹塑膠板。
• 電源： 與傳統陽極氧化製程中常用的直流、交流或脈衝電源不同，微弧陽極氧化（MAO）需要更高的電壓（400-600V）。通常使用專用的交流電源，並設定特定的正負極電壓比。由於成膜層具有二極體特性，正反向電阻差異顯著。如果施加相同的正負電壓，可能會導致過大的負電流，從而損壞電源並阻礙Al₂O₃膜的形成。因此，專用的MAO電源通常採用兩組獨立的電源分別用於正反向，這增加了電源單元設計的複雜性。
• 冷卻和攪拌： 電解液的冷卻和攪拌系統至關重要。高電壓和大電流（400–600V）會因電弧放電和水的熱分解而產生大量熱量。如果這些熱量無法及時散去，電解液溫度就會升高，對MAO薄膜的性能產生不利影響。通常會採用具有熱交換器的外部循環系統來解決這個問題。

微弧氧化電解液成分相對簡單，可依其酸度大致分類：

• 酸性電解質： 歷史上，濃硫酸（H₂SO₄）常用於在約500V直流電壓下製備陶瓷薄膜。磷酸電解液結合鉻酸鹽密封也能獲得較厚的薄膜。在這些電解液中添加含氟鹽，可以製備出強度和硬度適中，但附著力、耐腐蝕性、電絕緣性和導熱性優異的氧化鋁陶瓷塗層。
• 鹼性電解質： 鹼性氧化法通常更環保，因為陽極產生的金屬離子通常可以回收。此外，將電解液中的其他金屬離子摻入薄膜中，可以調節薄膜的微觀結構，賦予其新的性能。

影響微弧氧化的因素

雖然 MAO 對工件的預處理狀態具有相對的容忍度，但關鍵操作參數會顯著影響最終薄膜的品質：電壓、電流密度、電解液濃度和電解液溫度。

電解質成分

MAO電解液的組成是獲得高品質薄膜的關鍵技術因素。不同的電解液組成和製程參數會導致塗層性能的差異。 MAO電解液通常由含有特定金屬或非金屬氧化物（例如矽酸鹽、磷酸鹽或硼酸鹽）的鹼性鹽溶液組成，理想情況下，這些氧化物以膠體形式存在。

微弧氧化可以在酸性和鹼性電解液中進行，但目前常用的是弱鹼性電解液（pH 9-13）。

• 濃度： 在相同的MAO電壓下，較高的電解液濃度通常會導致更快的成膜速率和較慢的膜溫上升。相反，較低的濃度會減慢成膜速率，並導致溶液溫度上升更快。
• 組成： 電解液的種類和成分對MAO陶瓷層有顯著影響。陶瓷層的生長速率、結構、成分和元素分佈均因所用電解液的不同而有所差異。

電流密度和氧化電壓

電流密度和工作電壓對 MAO 陶瓷層的生長和性能有顯著影響，進而影響其厚度、硬度和保護能力。

• 當前密度： 這是影響MAO陶瓷層亮度、生長速率和性能的關鍵參數之一。在一定範圍內，增加電流密度通常會增加陶瓷層厚度並線性地提高其硬度。然而，電流密度存在一個最大值；超過該值會導致陶瓷層生長過程中發生燒蝕損傷，從而造成表面粗糙和能耗迅速增加。
• 氧化電壓： 精確控制氧化電壓對於獲得高品質薄膜至關重要。不同的鋁基底和電解液對微弧放電的介電擊穿電壓各不相同。微弧氧化（MAO）電壓通常控制在比擊穿電壓高幾十到幾百伏特的範圍內。改變氧化電壓會影響所得陶瓷薄膜的性能、表面形貌和厚度。根據所需的薄膜性能和製程條件，MAO電壓的範圍可以從200伏特到600伏特不等。

溫度和攪拌

與傳統鋁陽極氧化不同，微弧陽極氧化（MAO）允許的電解液溫度範圍較廣，從10℃到90℃不等。較高的溫度會因工件/溶液界面處更劇烈的水汽化而加速膜的形成，但也會增加表面粗糙度和電解液的蒸發。因此，MAO電解液的溫度通常保持在20℃到60℃之間。

由於微弧氧化（MAO）過程中大部分能量以熱能的形式釋放，氧化液的溫度上升速度比傳統陽極氧化更快。因此，需要大容量的熱交換/冷卻系統來控制MAO製程的氧化液溫度。

氧化時間

氧化時間一般控制在 10 至 60 分鐘之間。

• 時間的影響： 較長的氧化時間通常會使薄膜緻密性更好，但也會導致表面粗糙度增加。
• 隨著時間的推移的演變： 隨著氧化時間的增加，膜表面平均孔徑逐漸增大，微孔數量減少，膜生長速率減慢，膜厚度增加。平均表面硬度先增大後減少。 MAO陶瓷層的摩擦係數基本上不受影響，但耐磨壽命顯著提高。腐蝕電位逐漸升高，腐蝕電流先減少後增加。

關於 Getzshape

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