微弧氧化或微等離子體表面陶瓷化技術，是指在普通陽極氧化的基礎上，利用弧光放電增強并激活在陽極上發生的反應，從而在以鋁、鈦、鎂金屬及其合金為材料的工件表面形成優質的強化陶瓷膜的方法，是通過用專用的微弧氧化電源在工件上施加電壓，使工件表面的金屬與電解質溶液相互作用，在工件表面形成微弧放電，在高溫、電場等因素的作用下，金屬表面形成陶瓷膜，達到工件表面強化的目的。
一、微弧氧化適用領域
微弧氧化技術廣泛應用于航天、航空、兵器、機械、汽車、交通、石油化工、紡織、印刷，煙機，電子、輕工、醫療等行業。如：鋁合金加工成的子母導彈推進器、炮彈的彈底、內燃機中的活塞、氣動元件中的氣缸和閥芯、風動工具中氣缸、紡織機械中導紗輪和紡杯、印刷機中搓紙輥和印刷輥等。鎂合金的汽車發動機罩蓋和箱體、踏板、方向盤和座椅，3C產品的殼體等。鈦合金的艦船潛艇中防腐部件、石油化工及醫藥工業中的耐腐容器及設備等。還可應用于零部件的表面修復。
微弧氧化法首先是在鋁的表面生成一層薄薄的氧化鋁。由于氧化鋁不均勻，在某些薄弱的環節，會被幾百伏的高壓擊穿，擊穿的這一區域內溫度驟然增高，將液體氣化，形成一個瞬間的高溫高壓等離子區。
鋁在等離子區這個特殊的環境中仍然按部就班地與氧結合。但生成的氧化鋁分子不再是東一個，西一個，隨意地在空間搶占自己的位置了。每個氧化鋁分子都被安排好了自己的位置，各個分子對號入座，形成了有序的空間結構。
在這個小區域內，重新生成的氧化鋁，要比原來的氧化鋁厚。于是，高壓就會在其他更薄的地方擊穿，發生相同的反應。最后整個零件被這層氧化膜包裹得嚴嚴實實。用顯微鏡觀察氧化膜與鋁的交界處，是呈鋸齒狀的。這說明氧化層已滲透到鋁中，就像從鋁材上“長”出來的—樣。
微弧氧化陶瓷層主要技術指標特點：
(1)高硬度、高耐磨：顯微硬度800～2500 HV。
(2)耐腐蝕；鹽霧實驗耐1000 h以上。
(3)耐高溫：可耐2500℃高溫(2500℃高溫沖擊20s后，即使基本熔化，陶瓷層仍完好)。
(4)結合力強：與基體結合力達250～300 MPa。
(5)柔韌性強：陶瓷層厚30m的鋁片彎曲成30度角，陶瓷層完好無損；陶瓷層厚100m的鋁片彎曲斷裂后，陶瓷層不開裂、不脫落。
(6)絕緣性好。
(7)膜層最厚可達200～300 μm。
(8)拋光后表面粗糙度低：Ra1.6～1.8 μm更低。
2024合金微弧氧化性能參數見表5—5—39。
一、微弧氧化適用領域
微弧氧化技術廣泛應用于航天、航空、兵器、機械、汽車、交通、石油化工、紡織、印刷，煙機，電子、輕工、醫療等行業。如：鋁合金加工成的子母導彈推進器、炮彈的彈底、內燃機中的活塞、氣動元件中的氣缸和閥芯、風動工具中氣缸、紡織機械中導紗輪和紡杯、印刷機中搓紙輥和印刷輥等。鎂合金的汽車發動機罩蓋和箱體、踏板、方向盤和座椅，3C產品的殼體等。鈦合金的艦船潛艇中防腐部件、石油化工及醫藥工業中的耐腐容器及設備等。還可應用于零部件的表面修復。
微弧氧化法首先是在鋁的表面生成一層薄薄的氧化鋁。由于氧化鋁不均勻，在某些薄弱的環節，會被幾百伏的高壓擊穿，擊穿的這一區域內溫度驟然增高，將液體氣化，形成一個瞬間的高溫高壓等離子區。
鋁在等離子區這個特殊的環境中仍然按部就班地與氧結合。但生成的氧化鋁分子不再是東一個，西一個，隨意地在空間搶占自己的位置了。每個氧化鋁分子都被安排好了自己的位置，各個分子對號入座，形成了有序的空間結構。
在這個小區域內，重新生成的氧化鋁，要比原來的氧化鋁厚。于是，高壓就會在其他更薄的地方擊穿，發生相同的反應。最后整個零件被這層氧化膜包裹得嚴嚴實實。用顯微鏡觀察氧化膜與鋁的交界處，是呈鋸齒狀的。這說明氧化層已滲透到鋁中，就像從鋁材上“長”出來的—樣。
微弧氧化陶瓷層主要技術指標特點：
(1)高硬度、高耐磨：顯微硬度800～2500 HV。
(2)耐腐蝕；鹽霧實驗耐1000 h以上。
(3)耐高溫：可耐2500℃高溫(2500℃高溫沖擊20s后，即使基本熔化，陶瓷層仍完好)。
(4)結合力強：與基體結合力達250～300 MPa。
(5)柔韌性強：陶瓷層厚30m的鋁片彎曲成30度角，陶瓷層完好無損；陶瓷層厚100m的鋁片彎曲斷裂后，陶瓷層不開裂、不脫落。
(6)絕緣性好。
(7)膜層最厚可達200～300 μm。
(8)拋光后表面粗糙度低：Ra1.6～1.8 μm更低。
2024合金微弧氧化性能參數見表5—5—39。
表5—5—3 92024鋁合金微弧氧化后所得膜層的性能參數表
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性 能
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微弧氧化膜層
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顯微硬度(HV)
孔隙相對面積/%
5%鹽霧試驗/h
最大厚度/μm
柔韌性
涂膜均勻性、致密度
操作溫度
處理效率
處理工序
膜層的微觀結構
對材料的適應性
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1500～2000
0～40
5×105
50～250
好
內外表面均勻、致密
常溫
10～30 min(50μm)
去油——微弧氧化——精磨
可以很方便地調整(含μ-Al2O3、γ- Al2O3、α—AlO(OH)等組織)
較寬：除鋁合金(含鋁基復合材料)外，它還能在Ti、Mg、Zr、Ta、Nb等
金屬及其合金表面生成陶瓷層
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5.5.2微弧氧化的工藝
1)微弧氧化的工藝特點
(1)無污染。工件除油污無須酸、堿；槽液符合生態環境標準；微弧氧化中只放出氫氣、氧氣。工藝過程中無任何污染，屬環保型表面處理技術。
(2)工序簡單。工件除油污后即可人槽進行微弧氧化，出槽經水洗即可使用，無須其他后處理工序。即僅三道工序：①清洗油污；②微弧氧化；③水洗。
(3)陶瓷層可做成多種顏色，且著色牢固。
(4)處理輕金屬合金覆蓋面廣。比如同樣能對陽極氧化難以處理的鋁－銅、鋁－硅合金進行微弧氧化處理，且色澤美觀。
(5)陶瓷化處理的零部件使用壽命長。
(6)微弧氧化技術目前仍存在一些不足之處，如工藝參數和配套設備的研究需進一步完善；微弧氧化陶瓷膜層的檢測尚無專門標準，可采用鋁常規陽極氧化膜層性能的檢測標準。
(7)氧化電壓較常規鋁陽極氧化電壓高得多，操作時要要做好安全保護措施。
(8)電解液溫度上升較快，需配備較大容量的制冷和熱交攙設備。
(9)生產效果：耗電量0.05～0.1 kW·h/μm·dm2，溶液使用周期4～20 h/m3，氧化膜生長速率50～150μm/h，加工面積約2 m2/100 kW。
2)微弧氧化的工藝流程
鋁及鋁合金材料的微弧氧化主要包括鋁基材料的前處理、微弧氧化、后處理三部分。其工藝流程如下：
鋁基工件→化學除油→清洗→微弧氧化→清洗→后處理→成品檢驗。
3)微弧氧化電解液組成及工藝條件(成分舉例見表5—5—40)
例1 電解液組成：K2Si03 5～10 g/L，Na2O2 4～6 g/L，NaF 0.5～1 g/L，CH3COONa 2～3 g/L，Na3VO3 1～3 g/L；溶液pH為11～13；溫度為20～50℃；陰極材料為不銹鋼板；電解方式為先將電壓迅速上升至300V，并保持5～10s、然后將陽極氧化電壓上升至450V，電解5～10 min。
例2兩步電解法，第一步：將鋁基工件在200 g/L的K2O·nSi02(鉀水玻璃)水溶液中以1A/dm2的陽極電流氧化5min；第二步：將經第一步微弧氧化后的鋁基工件水洗后在70 g/L的Na3P207水溶液中以1A/dm2的陽極電流氧化15min。陰極材料為：不銹鋼板；溶液溫度為20～50℃。
1)微弧氧化的工藝特點
(1)無污染。工件除油污無須酸、堿；槽液符合生態環境標準；微弧氧化中只放出氫氣、氧氣。工藝過程中無任何污染，屬環保型表面處理技術。
(2)工序簡單。工件除油污后即可人槽進行微弧氧化，出槽經水洗即可使用，無須其他后處理工序。即僅三道工序：①清洗油污；②微弧氧化；③水洗。
(3)陶瓷層可做成多種顏色，且著色牢固。
(4)處理輕金屬合金覆蓋面廣。比如同樣能對陽極氧化難以處理的鋁－銅、鋁－硅合金進行微弧氧化處理，且色澤美觀。
(5)陶瓷化處理的零部件使用壽命長。
(6)微弧氧化技術目前仍存在一些不足之處，如工藝參數和配套設備的研究需進一步完善；微弧氧化陶瓷膜層的檢測尚無專門標準，可采用鋁常規陽極氧化膜層性能的檢測標準。
(7)氧化電壓較常規鋁陽極氧化電壓高得多，操作時要要做好安全保護措施。
(8)電解液溫度上升較快，需配備較大容量的制冷和熱交攙設備。
(9)生產效果：耗電量0.05～0.1 kW·h/μm·dm2，溶液使用周期4～20 h/m3，氧化膜生長速率50～150μm/h，加工面積約2 m2/100 kW。
2)微弧氧化的工藝流程
鋁及鋁合金材料的微弧氧化主要包括鋁基材料的前處理、微弧氧化、后處理三部分。其工藝流程如下：
鋁基工件→化學除油→清洗→微弧氧化→清洗→后處理→成品檢驗。
3)微弧氧化電解液組成及工藝條件(成分舉例見表5—5—40)
例1 電解液組成：K2Si03 5～10 g/L，Na2O2 4～6 g/L，NaF 0.5～1 g/L，CH3COONa 2～3 g/L，Na3VO3 1～3 g/L；溶液pH為11～13；溫度為20～50℃；陰極材料為不銹鋼板；電解方式為先將電壓迅速上升至300V，并保持5～10s、然后將陽極氧化電壓上升至450V，電解5～10 min。
例2兩步電解法，第一步：將鋁基工件在200 g/L的K2O·nSi02(鉀水玻璃)水溶液中以1A/dm2的陽極電流氧化5min；第二步：將經第一步微弧氧化后的鋁基工件水洗后在70 g/L的Na3P207水溶液中以1A/dm2的陽極電流氧化15min。陰極材料為：不銹鋼板；溶液溫度為20～50℃。
表5—5—40代表性的微弧氧化溶液的成分表/g·L-1
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成分
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氫氧化鈉
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硅酸鈉
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鋁酸鈉
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六偏磷酸鈉
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磷酸三鈉
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硼酸
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l
2
3
4
5
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2.5
1.5～2.5
2.5
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7～ll
10
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3
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3
35
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25
10
|
7
10.5
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三、影響鋁合金微弧氧化的主要因素
(1)鋁合金材料及表面狀態的影響微弧氧化技術對鋁基工件的合金成分要求不高，對一些普通陽極氧化難以處理的鋁合金材料，如含銅、高硅鑄鋁合金的均可進行微弧氧化處理。對工件表面狀態也要求不高，一般不需進行表面拋光處理。對于粗糙度較高的工件，經微弧氧化處理后表面得到修復變得更均勻平整；而對于粗糙度較低的工件，經微弧氧化后，表面粗糙度有所提高。
(2)電解質溶液及其組分的影響微弧氧化電解液是獲到合格膜層的技術關鍵。不同的電解液成分及氧化工藝參數，所得膜層的性質也不同。微弧氧化電解液多采用含有一定金屬或非金屬氧化物堿性鹽溶液(如硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等)，其在溶液中的存在形式最好是膠體狀態。溶液的pH范圍一般在9～13之間。根據膜層性質的需要，可添加一些有機或無機鹽類作為輔助添加劑。在相同的微弧電解電壓下，電解質濃度越大，成膜速度就越快，溶液溫度上升越慢，反之，成膜速度較慢，溶液溫度上升較快。
(3)氧化電壓及電流密度的影響微弧氧化電壓和電流密度的控制對獲取合格膜層同樣至關重要。不同的鋁基材料和不同的氧化電解液，具有不同的微弧放電擊穿電壓(擊穿電壓：工件表面剛剛產生微弧放電的電解電壓)，微弧氧化電壓一般控制在大于擊穿電壓幾十至上百伏的條件進行。氧化電壓不同，所形成的陶瓷膜性能、表面狀態和膜厚不同，根據對膜層性能的要求和不同的工藝條件，微弧氧化電壓可在200～600 V范圍內變化。微弧氧化可采用控制電壓法或控制電流法進行，控制電壓進行微弧氧化時，電壓值一般分段控制，即先在一定的陽極電壓下使鋁基表面形成一定厚度的絕緣氧化膜層；然后增加電壓至一定值進行微弧氧化。當微弧氧化電壓剛剛達到控制值時，通過的氧化電流一般都較大，可達10 A/dm2左右，隨著氧化時間的延長，陶瓷氧化膜不斷形成與完善，氧化電流逐漸減小，最后小于1 A/dm2。氧化電壓的波形對膜層性能有一定影響，可采用直流、鋸齒或方波等電壓波形。采用控制電流法較控制電壓法工藝操作上更為方便，控制電流法的電流密度一般為2～8 A/dm2。控制電流氧化時，氧化電壓開始上升較快，達到微弧放電時，電壓上升緩慢，隨著膜的形成，氧化電壓又較快上升，最后維持在一較高的電解電壓下。
(4)溫度與攪拌的影響與常規的鋁陽極氧化不同，微弧氧化電解液的溫度允許范圍較寬，可在10～90℃條件下進行。溫度越高，工件與溶液界面的水氣化越厲害，膜的形成速度越快，但其粗糙度也隨之增加。同時溫度越高，電解液蒸發也越快，所以微弧氧化電解液的溫度一般控制在20～60℃范圍。由于微弧氧化的大部分能量以熱能的形式釋放，其氧化液的溫度上升較常規鋁陽極氧化快，故微弧氧化過程須配備容量較大的熱交換制冷系統以控制槽液溫度。雖然微弧氧化過程工件表面有大量氣體析出，對電解液有一定的攪拌作用，但為保證氧化溫度和體系組分的均一，一般都配備機械裝置或壓縮空氣對電解液進行攪拌。
(5)微弧氧化時間的影響微弧氧化時間一般控制在10～60 min。氧化時間越長，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。
(6)陰極材料微弧氧化的陰極材料采用不溶性金屬材料。由于微弧氧化電解液多為堿性液，故陰極材料可采用碳鋼，不銹鋼或鎳。其方式可采用懸掛或以上述材料制作的電解槽作為陰極。
(7)膜層的后處理鋁基工件經微弧氧化后可不經后處理直接使用，也可對氧化后的膜層進行封閉，電泳涂漆，機械拋光等后處理，以進一步提高膜的性能。
四、微弧氧化的設備
生產線設備包括：專用電源、槽組、溫控系統、冷卻系統、攪拌系統、行車系統等；電源功率為50～300 kW。
(1)微弧氧化電源設備是一種高壓大電流輸出的特殊電源設備，輸出電壓范圍一般為0～600 V；輸出電流的容量視加工工件的表面積而定，一般要求6～10 A/dm2。電源要設置恒電壓和恒電流控制裝置，輸出波形視工藝條件可為直流、方波、鋸齒波等波形。
例如：頻率為l5～9000 Hz連續可調，占空比為5%～48%連續可調，功率：正向工作電流/電壓：400A/700V；反向工作電流/電壓：200A/300 V。脈沖：正負連續可調。全部數字化儀表，帶波形顯示。
(2)熱交換和制冷設備。由于微弧氧化過程中工件表面具有較高的氧化電壓并通過較大的電解電流，使產生的熱量大部分集中于膜層界面處，而影響所形成膜層的品質，因此微弧氧化必須使用配套的熱交換制冷設備，使電解液及時冷卻，保證微弧氧化在設置的溫度范圍內進行。可將電解液采用循環對流冷卻的方式進行，既能控制溶液溫度，又達到了攪拌電解液的目的。
采用微弧氧化技術對鋁及其合金材料進行表面強化處理，具有工藝過程簡單，占地面積小，處理能力強，生產效率高，適用于大工業生產等優點。微弧氧化電解液不含有毒物質和重金屬元素，電解液抗污染能力強和再生重復使用率高，因而對環境污染小，滿足優質清潔生產的需要，也符合我國可持續發展戰略的需要。微弧氧化處理后的鋁基表面陶瓷膜層具有硬度高（HV＞1200），耐蝕性強（CASS鹽霧試驗＞480h），絕緣性好（膜阻＞100MΩ），膜層與基底金屬結合力強，并具有很好的耐磨和耐熱沖擊等性能。微弧氧化技術工藝處理能力強，可通過改變工藝參數獲取具有不同特性的氧化膜層以滿足不同目的的需要；也可通過改變或調節電解液的成分使膜層具有某種特性或呈現不同顏色；還可采用不同的電解液對同一工件進行多次微弧氧化處理，以獲取具有多層不同性質的陶瓷氧化膜層。(1)鋁合金材料及表面狀態的影響微弧氧化技術對鋁基工件的合金成分要求不高，對一些普通陽極氧化難以處理的鋁合金材料，如含銅、高硅鑄鋁合金的均可進行微弧氧化處理。對工件表面狀態也要求不高，一般不需進行表面拋光處理。對于粗糙度較高的工件，經微弧氧化處理后表面得到修復變得更均勻平整；而對于粗糙度較低的工件，經微弧氧化后，表面粗糙度有所提高。
(2)電解質溶液及其組分的影響微弧氧化電解液是獲到合格膜層的技術關鍵。不同的電解液成分及氧化工藝參數，所得膜層的性質也不同。微弧氧化電解液多采用含有一定金屬或非金屬氧化物堿性鹽溶液(如硅酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等)，其在溶液中的存在形式最好是膠體狀態。溶液的pH范圍一般在9～13之間。根據膜層性質的需要，可添加一些有機或無機鹽類作為輔助添加劑。在相同的微弧電解電壓下，電解質濃度越大，成膜速度就越快，溶液溫度上升越慢，反之，成膜速度較慢，溶液溫度上升較快。
(3)氧化電壓及電流密度的影響微弧氧化電壓和電流密度的控制對獲取合格膜層同樣至關重要。不同的鋁基材料和不同的氧化電解液，具有不同的微弧放電擊穿電壓(擊穿電壓：工件表面剛剛產生微弧放電的電解電壓)，微弧氧化電壓一般控制在大于擊穿電壓幾十至上百伏的條件進行。氧化電壓不同，所形成的陶瓷膜性能、表面狀態和膜厚不同，根據對膜層性能的要求和不同的工藝條件，微弧氧化電壓可在200～600 V范圍內變化。微弧氧化可采用控制電壓法或控制電流法進行，控制電壓進行微弧氧化時，電壓值一般分段控制，即先在一定的陽極電壓下使鋁基表面形成一定厚度的絕緣氧化膜層；然后增加電壓至一定值進行微弧氧化。當微弧氧化電壓剛剛達到控制值時，通過的氧化電流一般都較大，可達10 A/dm2左右，隨著氧化時間的延長，陶瓷氧化膜不斷形成與完善，氧化電流逐漸減小，最后小于1 A/dm2。氧化電壓的波形對膜層性能有一定影響，可采用直流、鋸齒或方波等電壓波形。采用控制電流法較控制電壓法工藝操作上更為方便，控制電流法的電流密度一般為2～8 A/dm2。控制電流氧化時，氧化電壓開始上升較快，達到微弧放電時，電壓上升緩慢，隨著膜的形成，氧化電壓又較快上升，最后維持在一較高的電解電壓下。
(4)溫度與攪拌的影響與常規的鋁陽極氧化不同，微弧氧化電解液的溫度允許范圍較寬，可在10～90℃條件下進行。溫度越高，工件與溶液界面的水氣化越厲害，膜的形成速度越快，但其粗糙度也隨之增加。同時溫度越高，電解液蒸發也越快，所以微弧氧化電解液的溫度一般控制在20～60℃范圍。由于微弧氧化的大部分能量以熱能的形式釋放，其氧化液的溫度上升較常規鋁陽極氧化快，故微弧氧化過程須配備容量較大的熱交換制冷系統以控制槽液溫度。雖然微弧氧化過程工件表面有大量氣體析出，對電解液有一定的攪拌作用，但為保證氧化溫度和體系組分的均一，一般都配備機械裝置或壓縮空氣對電解液進行攪拌。
(5)微弧氧化時間的影響微弧氧化時間一般控制在10～60 min。氧化時間越長，膜的致密性越好，但其粗糙度也增加。
(6)陰極材料微弧氧化的陰極材料采用不溶性金屬材料。由于微弧氧化電解液多為堿性液，故陰極材料可采用碳鋼，不銹鋼或鎳。其方式可采用懸掛或以上述材料制作的電解槽作為陰極。
(7)膜層的后處理鋁基工件經微弧氧化后可不經后處理直接使用，也可對氧化后的膜層進行封閉，電泳涂漆，機械拋光等后處理，以進一步提高膜的性能。
四、微弧氧化的設備
生產線設備包括：專用電源、槽組、溫控系統、冷卻系統、攪拌系統、行車系統等；電源功率為50～300 kW。
(1)微弧氧化電源設備是一種高壓大電流輸出的特殊電源設備，輸出電壓范圍一般為0～600 V；輸出電流的容量視加工工件的表面積而定，一般要求6～10 A/dm2。電源要設置恒電壓和恒電流控制裝置，輸出波形視工藝條件可為直流、方波、鋸齒波等波形。
例如：頻率為l5～9000 Hz連續可調，占空比為5%～48%連續可調，功率：正向工作電流/電壓：400A/700V；反向工作電流/電壓：200A/300 V。脈沖：正負連續可調。全部數字化儀表，帶波形顯示。
(2)熱交換和制冷設備。由于微弧氧化過程中工件表面具有較高的氧化電壓并通過較大的電解電流，使產生的熱量大部分集中于膜層界面處，而影響所形成膜層的品質，因此微弧氧化必須使用配套的熱交換制冷設備，使電解液及時冷卻，保證微弧氧化在設置的溫度范圍內進行。可將電解液采用循環對流冷卻的方式進行，既能控制溶液溫度，又達到了攪拌電解液的目的。
