閆軍芳，路海健

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工藝參數(shù)對(duì)接觸網(wǎng)鋁合金件微弧氧化的影響

閆軍芳，路海健

針對(duì)目前既有開(kāi)通高鐵及客專電氣化鐵路接觸網(wǎng)用鋁鎂硅鋁合金鑄鍛件在復(fù)雜、特殊污染環(huán)境線路上出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象，對(duì)其采取了表面微弧氧化防腐耐磨工藝處理，通過(guò)分析微弧氧化過(guò)程中處理液的成分、處理溫度、電流密度、氧化處理時(shí)間及封閉工藝對(duì)微弧氧化膜層的影響，最終選擇確定一種性能優(yōu)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(shù)；接觸網(wǎng)；鋁合金；鑄鍛件；微弧氧化；影響

0 引言

在環(huán)境惡劣地區(qū)運(yùn)行的電氣化鐵路，如沿海地區(qū)和隧道內(nèi)的強(qiáng)堿性滴漏區(qū)、化工企業(yè)周邊區(qū)段以及空氣中含有鹽、堿和酸性等腐蝕性物質(zhì)的區(qū)段，接觸網(wǎng)鋁合金零部件在使用過(guò)程中存在較為嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題，常常存在“表面發(fā)霉”粉狀霉點(diǎn)腐蝕以及表面處理層剝落等問(wèn)題，影響服役安全性，對(duì)高鐵的運(yùn)營(yíng)安全存在較大的安全隱患。接觸網(wǎng)鋁合金件防腐蝕問(wèn)題已引起業(yè)內(nèi)人士的高度重視。

微弧氧化技術(shù)是一種直接在輕金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷膜的綠色環(huán)保表面處理技術(shù)。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(zhì)溶液中，表面受端電壓作用產(chǎn)生微弧放電，微弧放電所產(chǎn)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(jié)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(jié)的氧化陶瓷膜。氧化陶瓷膜與鋁合金零部件基體之間達(dá)到了類似于冶金結(jié)合的狀態(tài)，具有很高的結(jié)合強(qiáng)度。陶瓷膜化學(xué)性能穩(wěn)定，硬度高，具有很好的防腐、耐磨特性，處理過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)環(huán)境污染問(wèn)題。

微弧氧化技術(shù)需要依據(jù)耐腐蝕的性能要求，研發(fā)適應(yīng)的電解液體系和處理工藝，控制和優(yōu)化槽液配方及溫度、電流密度、氧化時(shí)間及后續(xù)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(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

1 微弧氧化處理技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)備

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

微弧氧化技術(shù)突破了傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化電流、電壓的限制，把陽(yáng)極電位由幾十伏提高到幾百伏，氧化電流也從小電流發(fā)展到大電流，由直流發(fā)展到交流，使鋁合金零部件表面出現(xiàn)電暈、輝光、微弧放電甚至弧光放電等現(xiàn)象。形成的微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)與燒結(jié)陶瓷的結(jié)構(gòu)相似，厚度可以由硬質(zhì)氧化的幾十mm增加到200mm以上。

微弧氧化技術(shù)的突出特點(diǎn)：（1）表面硬度較高，達(dá)到硬質(zhì)合金的水平，大大超過(guò)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(wǎng)鋁合金零部件之間的微動(dòng)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(yīng)用中的缺點(diǎn)，因此該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。（4）微弧氧化處理電解液滿足環(huán)保要求，無(wú)污染，符合環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。（5）微弧氧化處理工藝操作簡(jiǎn)單，參數(shù)穩(wěn)定可靠，設(shè)備簡(jiǎn)單易制造；處理工藝在常溫下即可進(jìn)行，操作方便，易于掌握。（6）微弧氧化處理產(chǎn)生的陶瓷膜層與鋁合金基體結(jié)合牢固，膜層組織致密均勻。

1.2 設(shè)備特點(diǎn)

微弧氧化設(shè)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(mén)定制，通常配備硅變壓器。電源輸出電壓：0～750 V，可調(diào)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(zhì)，外套采用不銹鋼加固，可外加冷卻設(shè)施或配備冷卻內(nèi)膽。掛具可選用鋁或鋁合金材質(zhì)，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(shù)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(duì)微弧氧化膜層的性能通常有比較大的影響，通過(guò)調(diào)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(duì)微弧氧化制備的陶瓷膜硬度的影響趨勢(shì)相似。

下文選取硅酸鹽與磷酸鹽體系的2種處理槽液進(jìn)行對(duì)比研究。

工藝處理結(jié)果顯示：當(dāng)處理的鋁鎂硅鋁合金工件面積較小時(shí)，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?xiàng)l件下，生成相同厚度的微弧氧化膜層時(shí)，硅酸鹽處理槽液生成的微弧氧化膜層表面質(zhì)量要明顯好于磷酸鹽處理槽液；當(dāng)處理面積較大時(shí)，磷酸鹽槽液處理工件表面容易產(chǎn)生白斑（圖1 b），用砂紙打磨發(fā)現(xiàn)白斑向基體內(nèi)生長(zhǎng)較深，斑點(diǎn)與基體結(jié)合力較好，但氧化膜層生長(zhǎng)不連續(xù)。另外，硅酸鹽槽液十分穩(wěn)定，經(jīng)測(cè)試，放置90 d后仍可繼續(xù)使用，能夠滿足產(chǎn)業(yè)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(zhí)行過(guò)程中，由于生成的微弧氧化膜層電阻較大，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，導(dǎo)致處理槽液溫度升高，通過(guò)微弧氧化膜層的電流產(chǎn)生的熱量與電流、電阻和微弧氧化處理的時(shí)間有關(guān)。

下文分析在電流密度為8 A/dm2，微弧氧化處理時(shí)間為45 min的條件下，微弧氧化槽液的溫度對(duì)微弧氧化膜層厚度的影響。研究使用的設(shè)備具有冷卻循環(huán)裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)水的流量控制微弧氧化槽液的溫度在20℃～30℃之間。對(duì)比有冷卻和無(wú)冷卻循環(huán)裝置條件下，微弧氧化膜層的厚度隨處理時(shí)間的變化如圖2所示。

圖2 微弧氧化槽液溫度隨時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)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(shí)間的延長(zhǎng)而呈正比增厚。在微弧氧化處理的前20 min內(nèi)，沒(méi)有冷卻循環(huán)裝置條件下的微弧氧化膜層厚度稍高于有冷卻循環(huán)裝置的微弧氧化膜層的厚度；隨著微弧氧化處理時(shí)間的持續(xù)延長(zhǎng)，沒(méi)有冷卻循環(huán)裝置條件下的微弧氧化膜層厚度則低于有冷卻循環(huán)裝置的微弧氧化膜層的厚度；在整個(gè)處理過(guò)程中，處理槽液溫度為30℃時(shí)生成的厚度大于處理槽液溫度為20℃時(shí)生成的厚度。

微弧氧化膜層的增厚過(guò)程是生長(zhǎng)過(guò)程和溶解過(guò)程動(dòng)態(tài)平衡的結(jié)果，即厚度的增長(zhǎng)速度取決于生長(zhǎng)速度和溶解速度的大小。在微弧氧化處理的前20 min內(nèi)，由于微弧氧化處理過(guò)程屬于放熱反應(yīng)，沒(méi)有冷卻循環(huán)裝置時(shí)處理的溫度約為38℃，高于有冷卻循環(huán)裝置的微弧氧化處理液溫度，即氧化膜層生長(zhǎng)速度隨溫度的升高而提高。原因就是微弧氧化膜層的生長(zhǎng)速度不僅與氧離子向零部件內(nèi)部擴(kuò)散的速度有關(guān)，還與微弧氧化處理槽液中氧離子的濃度、化學(xué)勢(shì)和向零部件表面的擴(kuò)散速度有關(guān)，這三方面都和微弧氧化處理槽液的溫度息息相關(guān)。

在顯微鏡下觀察微弧氧化膜層的外觀，具備冷卻循環(huán)裝置的生產(chǎn)過(guò)程形成的微弧氧化膜層致密，表面粗糙度低。主要是因?yàn)槲⒒⊙趸幚沓跗诜懦龅臒崃亢芸毂焕鋮s散失，使膜層在高溫下易于燒結(jié)沉積，微弧氧化膜層厚度增加速度快；而沒(méi)有冷卻循環(huán)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(zhì)向零部件表面沉積較多而導(dǎo)致產(chǎn)品表面粗糙。

在沒(méi)有冷卻循環(huán)裝置的微弧氧化處理過(guò)程中，微弧氧化槽液的溫度在超過(guò)30℃時(shí)，槽液在產(chǎn)品表面容易產(chǎn)生飛濺，不僅加快了微弧氧化膜層的溶解速度，而且導(dǎo)致處理槽液的損耗加大，造成槽液中電解質(zhì)濃度減小，使微弧氧化膜層質(zhì)量下降。同時(shí)，微弧氧化處理槽液沒(méi)有冷卻循環(huán)作用時(shí)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(guò)程必須配置一個(gè)冷卻效果良好的冷卻循環(huán)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(zhǎng)速率與電流密度密切相關(guān)，同時(shí)電流密度對(duì)氧化膜層的厚度和表面質(zhì)量也產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。為確定最佳電流密度范圍，處理過(guò)程中選取了4、8、16、20、40 A/dm2等多種電流密度進(jìn)行小試樣微弧氧化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，試樣表面電流和電壓的變化趨勢(shì)相同，只是快慢程度不同。微弧氧化膜層形成初期，電流隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。在氧化時(shí)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(dá)到擊穿鋁合金零部件表面的時(shí)間縮短，處理工藝的初期氧化階段提前進(jìn)入微弧處理過(guò)程，這時(shí)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(shí)間內(nèi)，氧化膜層厚度較高有關(guān)。但是，電流密度也不可過(guò)大，因?yàn)樵谙嗤奈⒒⊙趸幚頃r(shí)間內(nèi)，工藝過(guò)程的第三階段弧光放電過(guò)程時(shí)間增加，微弧氧化膜層形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生體積大、顏色桔紅、數(shù)量少而且緩慢游動(dòng)的火花，這種狀態(tài)保持時(shí)間延長(zhǎng)，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(zhǎng)時(shí)間工況下一味提高電流密度對(duì)氧化層的表面狀態(tài)將產(chǎn)生不利的影響。

圖3 電流隨時(shí)間變化曲線圖

微弧氧化膜層的生長(zhǎng)速率衡量方法是以一定時(shí)間段內(nèi)生長(zhǎng)的微弧氧化膜層厚度來(lái)表達(dá)。圖4為微弧氧化處理時(shí)間20 min內(nèi)，鋁鎂硅鋁合金工件氧化膜層厚度隨電流密度的變化關(guān)系。由圖4可知，電流密度越大，成膜速率越快，但電流密度過(guò)大時(shí)，氧化膜層生長(zhǎng)質(zhì)量下降，容易出現(xiàn)局部燒蝕或剝落，并且在相同的微弧氧化處理時(shí)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(guò)程中，電流密度提高到20 A/dm2時(shí)，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(zhì)。在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將試樣表面的電流密度提高到40 A/dm2，發(fā)現(xiàn)在微弧氧化處理約 20 min時(shí)，微弧氧化過(guò)程由火花放電階段進(jìn)入弧光放電階段，弧光放電過(guò)程中強(qiáng)烈的電弧對(duì)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(guò)低，則膜層生產(chǎn)速率下降；電流密度過(guò)高，則膜層質(zhì)量下降。

圖4 微弧氧化過(guò)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(zhì)量良好的微弧氧化膜層，電流密度應(yīng)控制在4～ 8 A/dm2范圍內(nèi)。

2.4 微弧氧化處理時(shí)間的影響

在微弧氧化處理過(guò)程中，微弧氧化膜層的厚度隨著處理時(shí)間的長(zhǎng)短而有所變化，微弧氧化處理時(shí)間沒(méi)有達(dá)到80 min時(shí)，隨氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，微弧氧化膜層的厚度也隨著增厚；而微弧氧化處理時(shí)間在80 min之后，微弧氧化膜層的厚度不再發(fā)生變化。觀察微弧氧化膜層的外觀質(zhì)量，在氧化時(shí)間較短時(shí)，氧化膜層的致密性和光滑均勻程度較好，隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，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(lái)越粗糙，當(dāng)氧化時(shí)間超過(guò)80 min時(shí)，零部件邊緣的微弧氧化膜層的表面會(huì)出現(xiàn)明顯的破壞，其原因是較大的電弧光點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)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(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 膜層的厚度隨微弧氧化處理時(shí)間的變化曲線圖

從微弧氧化處理研究結(jié)果中可以看出，氧化處理時(shí)間是影響微弧氧化膜層的一個(gè)主要因素，但是過(guò)長(zhǎng)的氧化處理時(shí)間會(huì)導(dǎo)致微弧氧化膜層表面粗糙，并且還會(huì)降低微弧氧化生產(chǎn)效率，提高處理成本，因此在微弧氧化工藝過(guò)程中要綜合考慮，根據(jù)使用要求確定經(jīng)濟(jì)適宜的處理時(shí)間。

2.5 后續(xù)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(shí)膜層的耐蝕性有所降低，膜層表面較粗糙，呈現(xiàn)凹凸不平的熔融狀態(tài)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(guò)微孔達(dá)到鋁合金基體，導(dǎo)致氧化膜層龜裂、脫落，從而影響性能，因此必須對(duì)微弧氧化膜層進(jìn)行封孔處理。

目前對(duì)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(shù)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(gè)氧化膜層，沸水封孔難以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弧氧化膜層的有效封孔；樹(shù)脂噴涂固化封孔，設(shè)備投入較多，成本較高。

通過(guò)多種封孔工藝的試驗(yàn)對(duì)比，最終選擇采用鎳鹽、溶劑與促進(jìn)劑配制的溶液作為封孔劑。在一定溫度下按照規(guī)定的比例進(jìn)行配置，靜置一段時(shí)間后，在常溫下對(duì)微弧氧化處理后的零部件采用浸泡的方式封孔，然后進(jìn)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(jié)晶填充物而達(dá)到封孔的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，封孔劑常溫下即可操作，封孔效果好，簡(jiǎn)單易行，對(duì)微弧氧化膜層硬度沒(méi)有影響，同時(shí)還能提高氧化膜層的耐腐蝕性。

3 結(jié)語(yǔ)

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(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，合適的冷卻溫度為30℃左右；處理時(shí)間由電源功率和處理工作面積決定，以氧化膜層厚度達(dá)到10～15mm為指標(biāo)；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(chǔ)上，可進(jìn)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(shù)的研究進(jìn)展[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào)，2005，33（9）：1133-1138.

[2] 賀子凱，唐培松. 溶液體系對(duì)微弧氧化陶瓷膜的影響[J].材料保護(hù)，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(shè)備有限責(zé)任公司，工程師，電話：13892423344；路海健.寶雞保德利電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，工程師。

2016-06-24