表面工程学实验指导书

实验 微弧（阳极）氧化

一、

1． 2． 3． 4． 5． 6． 二 、概述

1．微弧阳极氧化国内外发展现状及该工艺的优点

微弧阳极氧化(MAO,microarc oxidation)又称等离子体氧化或阳极火花沉淀，是一种在有色金属表面生长陶瓷层的新技术。在电场的作用下，浸在液体里的金属表面出现火花放电现象，火花对氧化膜有破坏作用，但有可以生成氧化膜。２０世纪７０年代，美国和德国分别用直流或脉冲电源研究铝镁钛等金属表面火花放电沉淀积膜，取名为阳极火花沉淀和火花放电阳极氧化。俄罗斯科学院无机化学化学研究所１９７７年采用交流模式研究，称之为微弧氧化。由于该技术先进而且应用前景十分广阔，进入９０年代，美、德、俄等国加快了研究步伐，微弧氧化技术正成为国际材料科学的研究热点之一。我国从９０年代开始关注此技术，有些单位研究正在开展。

优点：可用于复杂件的表面处理，无环境污染，电解液寿命长等。

２．阳极氧化工艺设备

实验目的

了解微弧阳极氧化国内外发展现状及该工艺的优点 掌握铝合金微弧氧化工艺实验室所用设备 掌握操作方法 研究微弧氧化的机理

掌握微弧阳极氧化膜层的性质 分析影响膜层性质的因素

１．电源(包括指示仪表和开关) ２．阴极 ３．阳极

４．电解质溶液 ５．微弧氧化槽

还包括：蒸馏水设备，冷却系统等

３．

操作方法

① 选择合适的铝合金材料，进行表面清洗处理，作为阳极 ② 制备足够的蒸馏水 ③ 配置一定成分的电解质溶液 ④ 连接好阴极、阳极

⑤ 开电源进行微弧阳极氧化处理 ４．

阳极氧化机理

铝合金样品放入电解质溶液中，通电后金属表面立即生成很薄一层Al2O3绝缘层，当电压超过

某一临界值时，这层绝缘层的某些薄弱环节被击穿，发生微弧放电现象，浸在溶液里的样品表面可以看到无数个游动的(电弧),电弧十分细小，密度很大，因为击穿总是在氧化膜的薄弱环节发生，因此最终生成的氧化膜是均匀的，每个电弧的存在的时间很短，但电弧放电区瞬间温度很高，一般认为可以达到几千摄氏度，压力为数百个大气压，在电弧的高温高压作用下，生成Al2O3，但在样品表面化学氧化，电化学氧化，微弧氧化同时发生，陶瓷层Al2O3的形成过程非常复杂。在与铝合金基体相接触的Al2O3组织致密，表面组织较疏松。

５．

微弧阳极氧化膜层的性质

① 表面硬度高，维氏硬度１８００－２５００，耐磨性好 ② 表面粗糙度低 ③ 成模速度快 ④ 电绝缘性能好

⑤ 膜层厚度均匀，厚度大于２０微米

⑥ 微弧阳极氧化直接从金属基体氧化成膜，不从外部引入陶瓷材料，即不同于阳极氧化、离

子镀、喷涂、电镀，所以膜层与基体结合力好，而又保证高硬度，耐磨。 ６．

影响膜层性质的因素

① 电压是一个关键因素，小的电压不能产生电弧，大的电压易使膜层崩离 ② 必须保证蒸馏水的洁净度 ③ 配方必须准确

④ 必须保证铝合金的成分和表面质量

三、试验内容

⑤ 选择一定成分的铝合金样品 ⑥ 制备蒸馏水 ⑦ 配置电解液 ⑧ 连接电源

⑨ 进行微弧阳极氧化操作 ⑩ 测定膜层厚度、表面粗糙度

四、注意事项

①电源为高压，大电流，严禁未经老师允许私自开闭电源，安装电缆 ②膜层测厚仪、粗糙度测试仪为贵重科研仪器，严禁未经老师允许私自使用 五、填写实验报告

微弧氧化实验报告

１． ２． ３． ４．

试验目的 试验设备及材料 操作过程 分析讨论

① 微弧阳极氧化优点是什么？ ② 影响膜层性质的因素有哪些？ ③ 膜层有哪些应用？

离子镀实验

一、 实验目的

1． 掌握不锈钢离子镀膜原理 2． 掌握高真空度的获得方法

3． 掌握离子镀设备的组成及各部分的作用 4． 分析膜层的性能 二、概述

上世纪八十年代，美国首先提出多弧离子镀设备制造及膜层设备技术，之后在世界范围内获得了快速发展，目前多弧离子镀技术已成为TiN膜层制备的唯一技术。

多弧离子镀技术是在高真空条件下，利用气体放电(氮气)使气体(氮气)和被蒸发物质(金属纯钛)部分离

化，在气体粒子和被蒸发金属离子轰击作用的同时把蒸发物TiN沉积在基底上。

1． 工作原理

实现多弧离子镀有两个必要条件： ① 造成一个气体放电空间

② 将金属原子引进放电空间，使其部分离化

多弧离子镀的工作原理如图所示：

1 磁场线圈 2 基材 3 阳极 4 阴极（高纯钛） 5 真空室

真空室中有一个作为金属蒸发离化源的阴极和放置工件的阳极(对地为负50伏左右)，蒸发离化源有圆饼状阴极（高纯钛）、圆锥状阳极 、磁场线圈、引弧电源等组成，用水强制冷却。工作时，引弧电源产生火花，实现引弧，磁场线圈使产生的离子作定向运动。此时，低电压、大电流的电源将将维持圆饼状阴极和圆锥状阳极之间的放电过程进行，金属钛的表面有许多亮点，即阴极斑点，斑点随机运动，尺寸、形状多种多样，每个斑点都是一股高度电离的高温高压金属等离子体，多个斑点构成等离子体云。磁场等离子体加速运动，提高等离子体的密度和方向性，保证等离子体射向基底。工作是通入氮气，既可在基底上沉淀TiN膜层。

2． 多弧离子镀的优点

① 多弧离子镀设多个弧源，每个可独立工作，也可同时工作，所以绕射性好 ② 从阴极到等离子体，不用熔池 ③ 弧源即使阴极又是离子源 ④ 离化铝高，沉积速度快 ⑤ 膜的质量和附着性好 ⑥ 低压大电流安全

三、离子镀设备的组成和各部分的作用

离子镀设备结构复杂，由机械泵，扩散泵，真空室，转台，金属离子源，气体离子源，冷却系统等构成。

工作过程如图：

机械泵工作，通VE1阀，抽扩散泵真空，达一定值时，开扩散泵，当扩散泵中真空度达一定值时（此时可以进行式样安装），关闭VE1阀，通VE2阀，抽真空室真空，当达一定值时，关VE2阀，通VE1阀，通VT阀，用扩散泵抽真空。这样可以获得高真空度。

VE2

真空室——VT——扩散室——VE1——机械泵

获得高真空度后，开负偏压，通氮气清洗后，开气体离子源，使气体离化清洗后，开金属离子源，使金属钛离化，这样可以获得TiN膜层。 四、实验设备、内容、方法 ⒈ 实验设备 多弧离子镀设备 ⒉ 实验内容

用多弧离子镀设备在不锈钢表面沉积TiN膜层 ⒊ 方法

① 清洗不锈钢

② 开机，开机械泵，抽真空 ③ 开扩散泵抽真空 ④ 开负偏压 ⑤ 通入氮气 ⑥ 开气体离子源 ⑦ 开金属离子源 五、膜层性能测定 用测厚仪测量膜层厚度 六、注意事项

⒈ 设备某些部分有高压，未经老师允许禁止自行开关阀 ⒉ 工作时，要时刻注意冷却水情况

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