Čo je mikrooblúková oxidácia?

1. Zhrnutie

Mikrooblúková oxidácia (Mazanie) — tiež známa ako plazmová elektrolytická oxidácia (PEO) alebo iskrová anodizácia – je elektrochemická plazmová povrchová úprava, ktorá vytvára vrstvu oxidu bohatú na keramiku na „kovoch ventilov“ (hliník, horčík, titán a ich zliatiny) aplikáciou vysokého napätia, pulzná elektrická energia vo vodnom elektrolyte.

Lokalizované mikrovýboje produkujú krátke, intenzívne tepelné javy, ktoré premieňajú povrchový kov na tvrdý, priľnavé oxidové fázy.

Mikrooblúkové oxidačné povlaky zvyčajne poskytujú podstatne zvýšená tvrdosť (stovky → >1,000 HV), výrazné zlepšenie odolnosti proti opotrebovaniu (často 1–2 rády oproti holému Al), a zvýšená tepelná a chemická stabilita.

Micro-Arc Oxidation je robustná možnosť pre náročných tribológov, biomedicínske a vysokoteplotné aplikácie, ale vyžaduje dôslednú kontrolu procesu a často následné utesnenie pre optimálny korózny výkon.

2. Čo je mikrooblúková oxidácia?

Mikrooblúková oxidácia (Mazanie) je komplexná technológia povrchového inžinierstva, ktorá integruje elektrochémiu, fyzika plazmy, a materiálna veda, a je tiež známa ako mikroplazmová oxidácia (MPO) alebo anodickej iskrovej depozície (ASD) v rôznych oblastiach použitia.

Jeho základný princíp je: pričom obrobok ventilového kovu ako anóda a elektrolytický článok ako katóda, ponorením oboch do špeciálne vytvoreného anorganického elektrolytu, a použitie vysokonapäťového impulzného napájania (300-1000 V) na spustenie mikrooblúkového výboja na povrchu obrobku.

Okamžitá vysoká teplota a vysoký tlak generovaný výbojom spôsobujú, že kovový povrch a elektrolyt podstúpia sériu zložitých fyzikálnych a chemických reakcií., vrátane oxidácie, taviace sa, spekajúci, a skladanie, čím sa in situ vytvorí keramický povlak na kovovom povrchu.

V porovnaní s tradičnými technológiami povrchovej úpravy, ako je anodická oxidácia a galvanické pokovovanie, MAO má zásadný rozdiel:

keramický povlak nie je „externe pripojený“, ale je tvorený oxidáciou a transformáciou samotného kovového substrátu, realizácia metalurgickej väzby medzi povlakom a substrátom, ktorý zásadne rieši problém slabej priľnavosti tradičných náterov.

Hrúbku keramických povlakov MAO je možné nastaviť v rozsahu 5–100 μm, rýchlosť rastu je 1–10 μm/h, a povlakovou kompozíciou sú hlavne oxidy kovov (zo substrátu) a kompozitné oxidy (z elektrolytu), ktorý má vynikajúce komplexné vlastnosti.

3. Fyzikálne a chemické mechanizmy (ako funguje mikrooblúková oxidácia)

Micro-Arc Oxidation je pevne spojená elektrochemická látka, plazmový a tepelný proces.

Pochopenie mechanizmu objasňuje, prečo majú povlaky mikroštruktúru, akú majú, a prečo sú dôležité parametre procesu.

1. Počiatočná elektrochemická oxidácia. Pri miernom napätí rastie na povrchu kovu elektroforetickým spôsobom tenký bariérový oxid, ako pri konvenčnom eloxovaní.
   Táto tenká vrstva je elektricky izolujúca a pri zväčšovaní hrúbky zvyšuje lokálne elektrické pole.
2. Dielektrický prieraz a mikrovýboje. Keď lokálna sila elektrického poľa prekročí prah rozkladu oxidu (funkcia hrúbky, zloženie a chyby), dochádza k mikroskopickým dielektrickým poruchám.
   Tieto produkujú mikroplazmové kanály — krátky, vysoko lokalizované výboje zvyčajne trvajúce mikrosekundy – ktoré lokálne roztavia substrát a oxid.
3. Miestna reakcia, tavenie a ochladzovanie. Počas výboja môže byť okamžitá teplota v kanáli extrémne vysoká.
   Roztavený kov a oxid reagujú s druhmi elektrolytov, potom rýchlo uhaste, keď výboj zhasne.
   Rýchle ochladenie sa zablokuje v nerovnovážnych kryštalických fázach (napríklad, α-Al203 na hliníkových substrátoch) a tvorí zmiešanú keramickú matricu.
4. Vytváranie vrstiev opakujúcimi sa udalosťami. Milióny mikrovýbojov počas procesu vytvárajú vrstvenú štruktúru: vnútorná hustá bariéra, ktorá zabezpečuje priľnavosť;
   stred, vrstva bohatá na keramiku, ktorá dodáva tvrdosť a odolnosť proti opotrebovaniu; a vonkajšiu poréznejšiu znovu stuhnutú vrstvu s vypúšťacími kanálikmi a drsnosťou povrchu.
5. Začlenenie elektrolytu a prispôsobenie. Iónové druhy v elektrolyte (silikáty, fosfáty, vápnik, fluorid, atď.) sú začlenené do rastúceho oxidu, umožňujúci chemické prispôsobenie — pre odolnosť proti korózii, biokompatibilita alebo tribologické správanie.

4. Procesný systém Micro-Arc Oxidation a kľúčové ovplyvňujúce parametre

Micro-Arc Oxidation je implementovaný ako integrovaný procesný reťazec, v ktorom štyri subsystémy úzko spolupracujú: substrát, elektrolytu, napájací zdroj (a riadenie jeho priebehu), a pomocná rastlina (nádrž, chladenie, filtrácia a fixácia).

Optimálna štruktúra náteru a výkon – a tým aj životnosť – sa získajú len vtedy, keď je špecifikované, že tieto prvky spolupracujú a ich kritické parametre sú kontrolované v rámci overených okien.

Základné prvky procesného systému

Substrát (obrobok) materiál

Proces je aplikovateľný predovšetkým na takzvané ventilové kovy – kovy, ktoré tvoria elektricky izolujúce oxidy vo vodných elektrolytoch. Typické substráty sú:

• Hliník zliatiny (Napr., 6061, 7075, 2024): najbežnejšie komerčné využitie; povlaky na týchto zliatinách sa používajú v automobilovom priemysle, letecké a elektronické komponenty na opotrebenie a tepelnú stabilitu.
• Zliatiny horčíka (Napr., AZ31, Az91d): ľahké substráty, ktoré profitujú z oxidových bariér a zlepšených tribologických vlastností po úprave.
  Horčík vyžaduje starostlivú kontrolu parametrov kvôli jeho vysokej reaktivite.
• titán zliatiny (Napr., TI-6AL-4V, beta zliatiny): používa sa tam, kde sa vyžaduje biokompatibilita alebo stabilita pri vysokej teplote; oxidové vrstvy vyrobené na titáne môžu byť prispôsobené tak, aby podporovali integráciu kostí.
• Ostatné ventilové kovy (Zr, HF, atď.): používané v špecializovaných sektoroch (jadrový, chemický) kde je výhodná ich oxidová chémia.

Substrátová metalurgia, stav povrchu (drsnosť, kontaminanty), a predchádzajúce tepelné spracovanie ovplyvňuje dynamiku rastu oxidov a vlastnosti finálneho povlaku;
preto, špecifikácia substrátu a predúprava sú základnými časťami návrhu procesu.

Elektrolyt

Elektrolyt je jadrom reakcie MAO, zodpovedný za vedenie elektriny, poskytnutie reakčných iónov, regulácia procesu vypúšťania, a určenie zloženia a štruktúry povlaku .

Podľa hodnoty pH, možno ho rozdeliť do troch typov:

• Alkalický elektrolyt (pH 9-14): Najčastejšie používaný systém, pozostáva hlavne z kremičitanov, fosfáty, a hydroxidy.
  Má výhody stabilného vybíjania, rovnomerná povlaky, a nízka korózia podkladu. Napríklad, systém kremičitan sodný-fosfát je široko používaný v MAO zliatin hliníka a horčíka .
• Kyslý elektrolyt (pH 1-3): Skladá sa hlavne z kyseliny sírovej, kyselina fosforečnica, alebo kyselina fluoroboritá, vhodné pre MAO zliatin titánu.
  Môže tvoriť porézny keramický povlak s dobrou biokompatibilitou, ktorý je široko používaný pri úprave medicínskych implantátov .
• Neutrálny elektrolyt (Ph 6–8): Zložené z boritanov, uhličitan, atď., s miernymi reakčnými podmienkami a nízkym dopadom na životné prostredie, vhodné na povrchovú úpravu presných komponentov.

Aditíva a suspendované nanočastice (Zro₂, SIO₂, uhličitan, vápnik/fosfátové prekurzory) sa často používajú na prispôsobenie húževnatosti povlaku, odpor, korózne správanie alebo biofunkčnosť.

Vodivosť elektrolytu, pH stabilita, teplota a úroveň kontaminácie sa musia monitorovať a kontrolovať, pretože priamo ovplyvňujú správanie sa pri vypúšťaní a zloženie náteru.

Napájanie

Zdroj energie je zdrojom energie procesu MAO, a jeho typ a parametre priamo ovplyvňujú formu mikrooblúkového výboja a kvalitu povlaku .

V súčasnosti, hlavné napájacie zdroje používané v priemyselnej výrobe sú impulzné napájacie zdroje (vrátane jednosmerného impulzu, Striedavý impulz, a obojsmerný pulz), ktoré majú výhody nastaviteľných parametrov, stabilný výboj, a úspora energie.

V porovnaní s tradičnými zdrojmi jednosmerného prúdu, pulzné napájacie zdroje môžu zabrániť koncentrácii výbojových bodov, znížiť výskyt trhlín povlaku, a zlepšiť rovnomernosť a hustotu povlaku.

Pomocné vybavenie

Medzi pomocné zariadenia patria najmä elektrolytické články, chladiace systémy, miešacie systémy, a upínacie zariadenia.

Elektrolytický článok je zvyčajne vyrobený z materiálov odolných voči korózii (napríklad nehrdzavejúca oceľ, plastový);

chladiaci systém sa používa na reguláciu teploty elektrolytu (zvyčajne 20-60 °C) aby sa zabránilo nadmernej teplote ovplyvňujúcej stabilitu výboja a výkon povlaku; miešací systém zabezpečuje rovnomernosť koncentrácie elektrolytu a teploty;

upínacie zariadenie zaisťuje dobrý elektrický kontakt medzi obrobkom a napájacím zdrojom a zabraňuje korózii obrobku elektrolytom .

Kľúčové parametre procesu a ich účinky

Všetky parametre procesu sa vzájomne ovplyvňujú; však, najvplyvnejšou skupinou sú elektrické parametre, parametre elektrolytu a doba spracovania.

Každý musí byť nastavený s vedomím sekundárnych efektov.

Elektrické parametre

• Použité napätie: nastavuje nástup a intenzitu mikrovýbojov.
  Napätia pod prahom prierazu vytvárajú iba konvenčné anodické filmy; napätie vysoko nad ním zvyšuje rýchlosť rastu povlaku, ale má tiež tendenciu zväčšovať výbojové kanály a zvyšovať pórovitosť vonkajšej vrstvy a tepelné namáhanie.
  Typické priemyselné rozsahy sú procesné- a závislé od substrátu; sú potrebné parametrizačné experimenty.
• Prúdová hustota: vyššia prúdová hustota vo všeobecnosti urýchľuje tvorbu oxidov a zvyšuje hrúbku, ale riskuje nerovnomerné vybíjanie, ak nie je spojené s vhodnou kontrolou tvaru vlny.
• Pulzná frekvencia & pracovný cyklus: vyššia frekvencia impulzov s krátkym časom zapnutia má tendenciu produkovať jemnejšie, rovnomernejšie rozložené mikrovýboje; zvýšený pracovný cyklus zvyšuje priemerný energetický príkon a tým aj tepelné zaťaženie, čo môže zvýšiť riziko prasknutia.
  Typické pracovné cykly používané v praxi sa značne líšia (jednociferné percentá až niekoľko desiatok percent) v závislosti od vybavenia a cieľov.

Parametre elektrolytu

• Koncentrácia a vodivosť: ovplyvňujú distribúciu a stabilitu výbojov;
  nízka vodivosť môže zabrániť stabilným mikroplazmám, zatiaľ čo nadmerná iónová sila môže podporovať agresívne napádanie substrátu alebo nekontrolované správanie pri výboji.
• pH a zloženie: určiť, ktoré iónové druhy sú dostupné na začlenenie a ktoré oxidové fázy sú termodynamicky uprednostňované (Napr., silikátové druhy podporujú sklovité fázy obsahujúce Si; fosfátové druhy dodávajú P pre bioaktívne nátery).
• Teplota: zvýšené teploty elektrolytu zvyšujú kinetiku reakcie, ale znižujú dielektrickú pevnosť a môžu destabilizovať vzory výboja; preto je pre reprodukovateľné nátery nevyhnutná kontrola teploty.

Doba liečby a kinetika rastu

Hrúbka povlaku a mikroštruktúra sa časom vyvíjajú. Rýchlosti rastu sú zvyčajne vysoké v počiatočných minútach a pomalé, keď sa vyvíja dielektrická bariéra a menia sa charakteristiky výboja.

Nadmerný čas spracovania môže zvýšiť hrúbku povlaku na úkor vyššieho zvyškového napätia a rizika praskania; nedostatočný čas poskytuje tenké povlaky s neúplným vývojom fázy.

Typické výrobné časy sa pohybujú od niekoľkých minút do desiatok minút v závislosti od cieľovej hrúbky a hustoty výkonu.

5. Štruktúra a jadrové vlastnosti keramických povlakov Micro-Arc Oxidation

Oxidová vrstva produkovaná Micro-Arc Oxidation nie je jednoduchá, homogénny film; je to viaczónová, kompozitná štruktúra, ktorej výkon závisí od fázového zloženia, hustota a morfológia.

Architektúra náterov (trojzónový popis)

Vnútorný (rozhranie) zóna — hustá spojovacia vrstva

• Typická hrúbka: ~ 1–10 µm (spracovanie- a závislé od substrátu).
• Mikroštruktúra a zloženie: pomerne hustá, oxid s nízkou pórovitosťou, ktorý vznikol najskôr, mikroudalosti s najvyššou energiou.
  Na hliníku táto zóna bežne obsahuje fázy oxidu hlinitého (vrátane kompaktnejších polymorfov), na titánových rutilových/anatasových fázach prevládajú.
  Pretože oxid rastie na mieste a rýchlo tuhne, táto zóna vytvára skôr metalurgické rozhranie so substrátom než mechanické alebo adhézne spojenie.
• Funkcia: primárna nosná a korózna bariéra; táto vrstva kontroluje priľnavosť a obmedzuje transport iónov zo substrátu do agresívneho prostredia.
  Jeho kontinuita a nízka pórovitosť sú rozhodujúce pre výkon bariéry.

Stredný (hromadne) keramická zóna — funkčná vrstva

• Typická hrúbka: od niekoľkých mikrometrov až po niekoľko desiatok mikrometrov (bežné priemyselné rady pre hliník: ~5-40 µm).
• Mikroštruktúra a zloženie: zmes kryštalických keramických fáz a sklovitého/časticového materiálu vytvorená opakovaným lokalizovaným tavením a rýchlym ochladzovaním.
  Presné usporiadanie fáz závisí od chémie substrátu a druhu elektrolytu (Napr., Al₂o₃, zmiešané kremičitany, fosfátové alebo titánové fázy).
  Môže existovať uzavretá pórovitosť a mikrotrhliny, ale táto zóna dodáva väčšinu tvrdosti a odolnosti proti opotrebovaniu.
• Funkcia: primárny poskytovateľ tvrdosti, odolnosť proti oderu a tepelná/chemická stabilita.
  Rovnováha medzi kryštalickými tuhými fázami a sklovitými zložkami určuje húževnatosť a zvyškové napätie.

Vonkajšie (povrch) zóna — pórovitá, znovu stuhnutú vrstvu

• Typická hrúbka: často niekoľko mikrometrov až ~10–20 µm; v agresívnych režimoch vypúšťania môže byť vonkajšia zóna hrubšia a nepravidelnejšia.
• Mikroštruktúra: vysoko textúrované, obsahujúce vypúšťacie kanály, znovu stuhnuté kvapôčky a otvorené póry. Tvary pórov sa líšia (sférický, predĺžené kanály) a ich distribúcia je spojená s veľkosťou a hustotou výboja.
• Funkcia: zvyšuje drsnosť povrchu (čo môže byť prospešné pre zadržiavanie maziva alebo sekundárne spojenie),
  poskytuje veľkú povrchovú plochu pre uchytenie biologických buniek na implantátoch, ale tiež vytvára cesty pre korozívne médiá, pokiaľ nie je povlak utesnený.

Praktická poznámka o hrúbke a rovnomernosti:

Hrúbka povlaku je riadená príkonom energie (napätie, súčasný, pulzná prevádzka) a čas.

Jednotnosť naprieč zložitými geometriami je náročná: hrany a ostré prvky sústreďujú výboje a často sú hrubšie, hrubšie nátery, pokiaľ nie sú fixačné, používa sa kompenzácia tvaru vlny alebo pohybu.

Hlavné funkčné vlastnosti a ich pôvod

Výkonové výhody povlakov Micro-Arc Oxidation vyplývajú z keramickej chémie a vrstvenej architektúry opísanej vyššie.

Nižšie sú uvedené kľúčové vlastnosti, typické rozsahy pozorované v praxi, a fyzické dôvody za nimi.

Tvrdosť a odolnosť proti opotrebovaniu

• Typická tvrdosť povrchu (Vickers) rozsah: zhruba ≈ 400–1 700 HV pre nátery na báze hliníka podľa bežných priemyselných receptúr.
  Oxidy odvodené od titánu a vysokoenergetické receptúry môžu vykazovať podobné alebo trochu odlišné rozsahy v závislosti od obsahu fázy.
  Horčíkové substráty zvyčajne poskytujú nižšiu absolútnu tvrdosť, ale stále sa výrazne zvyšujú v porovnaní s holou zliatinou.
• Mechanizmus: tvorba tvrdých kryštalických oxidov (napríklad oxid hlinitý korundového typu) a hustá keramická matrica vytvára vysokú odolnosť proti vtlačeniu a nízku plasticitu vrchnej vrstvy.
• Tribologický výkon: v mnohých kolíkových a abrazívnych testoch ukazujú ošetrené povrchy 10× do >100× zníženie objemového opotrebovania v porovnaní s neupravenými ľahkými zliatinami; presný faktor závisí od materiálu čela, zaťaženie a prostredie.
  Obsahuje tvrdé nanočastice (Zro₂, Sic, WC) do elektrolytu môže ďalej zlepšiť odolnosť proti abrazívnemu opotrebovaniu zavedením dispergovaných tvrdých fáz do matrice povlaku.
• Kompromisy: vyššia tvrdosť často koreluje s väčšou krehkosťou a náchylnosťou na mikrotrhlinky pri náraze alebo silnom kontaktnom zaťažení; optimálna konštrukcia vyvažuje tvrdosť a dostatočnú húževnatosť pre danú aplikáciu.

Odpor

• Ovládače výkonu: odolnosť systému proti korózii je riadená predovšetkým kontinuitou a hustotou vnútornej medzivrstvy a stavom utesnenia vonkajšej poréznej zóny.
  Husté, vnútorná vrstva obmedzená pórmi bráni transportu iónov; neutesnený porézny povrch umožňuje lokalizovaný prienik elektrolytu a môže umožniť napadnutie spodnou vrstvou.
• Praktický výkon: dobre navrhnuté a utesnené mikrooblúkové oxidačné povlaky na hliníkových zliatinách môžu v porovnaní s holým materiálom vykazovať podstatne lepší výkon pri neutrálnych soľných sprejoch a elektrochemických testoch,
  v niektorých overených prípadoch dosahujú stovky až tisíce hodín v zrýchlenom soľnom postreku, keď je aplikovaný tesniaci krok.
  Pre zliatiny horčíka a titánu, vidieť aj zlepšenia, aj keď absolútny výkon závisí od chémie náteru a dodatočných úprav.
• Mechanické upozornenie: samotná keramika je chemicky stabilná, ale makroskopická odolnosť proti korózii si vyžaduje pozornosť makroporéznosti a akejkoľvek galvanickej väzbe spôsobenej zabudovanými druhmi alebo tmelmi.

Elektrická izolácia (dielektrické vlastnosti)

• Typický elektrický odpor: husté časti oxidu vykazujú veľmi vysoký odpor (rádovo 10⁹–10¹² Ω·cm v mnohých prípadoch),
  a sily rozpadu hustých oblastí môžu byť rádovo kV/mm (špecifické hodnoty silne závisia od hrúbky, pórovitosť a fázovú čistotu).
• Inžinierske využitie: keď je vnútorná vrstva súvislá a dostatočne hrubá, Micro-Arc Oxidation povlaky môžu poskytnúť užitočnú povrchovú izoláciu pre elektronické komponenty a vysokonapäťové aplikácie.
  Pre spoľahlivú prevádzku vysokého napätia je potrebné minimalizovať pórovitosť a chyby.

Tepelná stabilita a správanie pri tepelnom šoku

• Tepelná odolnosť: keramické zložky (alumina, titánia, silikáty) sú tepelne stabilné voči vysokým teplotám — často niekoľko stoviek °C av niektorých prípadoch >800 °C pri krátkom vystavení – ale kompozitný povlak a rozhranie sa musia posúdiť z hľadiska dlhodobého vystavenia a cyklického tepelného zaťaženia.
• Úvahy o tepelnom šoku: nesúlad tepelnej rozťažnosti medzi oxidom a substrátom plus zvyškové napätia z rýchleho tuhnutia môžu spôsobiť mikrotrhlinky, ak je povlak príliš hrubý alebo ak súčiastka rýchlo podlieha, veľké teplotné výkyvy.
  Správne navrhnuté nátery, s obmedzenou hrúbkou a vhodným fázovým zložením, môže tolerovať značné tepelné výkyvy, ale vyžaduje sa overenie špecifické pre aplikáciu.

Biokompatibilita a bioaktivita (titánové substráty)

• Povrchová chémia & morfológia: pre aplikácie implantátov môže byť porézna vonkajšia vrstva zámerne dopovaná vápnikom a fosfátmi pomocou vhodných elektrolytových formulácií.
  Výsledkom sú povrchy, ktoré podporujú nukleáciu hydroxyapatitu a zvyšujú prichytenie a proliferáciu osteoblastov.
• Funkčný vplyv: upravené titánové zliatiny s kontrolovanou pórovitosťou a Ca/P inkorporáciou preukázali zlepšenú zmáčavosť a povrchovú energiu, čo vedie k biologickej integrácii;
  však, klinické prijatie si vyžaduje prísne testovanie biokompatibility (in vitro a in vivo) a kontrolu fázovej chémie, aby sa zabránilo nežiaducemu uvoľňovaniu iónov.

6. Bežné priemyselné aplikácie mikrooblúkovej oxidácie

Micro-Arc Oxidation povlaky sa používajú všade tam, kde ľahký substrát potrebuje tvrdý, odolný voči opotrebeniu, tepelne stabilný alebo funkčne aktívny keramický povrch.

Letectvo a kozmonautika

• Klzné a nosné plochy na komponentoch draku lietadla a ovládacom hardvéri, kde je úspora hmotnosti kritická, ale životnosť opotrebovania sa musí predĺžiť.
• Tepelne vystavené konštrukčné diely a štíty, kde stabilita keramického povrchu pri zvýšených teplotách zvyšuje životnosť.
• Úder blesku a izolačné aplikácie v kombinácii s vodivými alebo izolačnými dodatočnými úpravami.

Automobilový priemysel & preprava

• Ľahké komponenty motora (korunky piestov, časti ventilového rozvodu, vložky valcov na hybridných/ľahkých motoroch) ktoré vyžadujú zlepšenú odolnosť proti oderu a tepelnú schopnosť.
• Komponenty brzdového systému, spojky alebo vačky, kde dochádza k vysokým kontaktným napätiam a teplotným výkyvom.
• Opotrebiteľné povrchy na krytoch motorov elektrických vozidiel, kde je potrebná elektrická izolácia a tepelný rozptyl.

Biomedicínsky & zubné implantáty

• Titánové implantáty a implantáty z titánových zliatin (ortopedické, zubné) s poréznym, povrchové vrstvy dopované vápnikom/fosfátom na podporu rastu kostí a nukleácie hydroxyapatitu.
• Nosné povrchy implantátov, kde sa vyžaduje kombinovaná odolnosť proti opotrebovaniu a bioaktivita; Micro-Arc Oxidation môže byť prispôsobená tak, aby podporovala adhéziu buniek pri zachovaní mechanickej integrity.

Energia, olej & plynárenské a priemyselné stroje

• Nátery odolné voči korózii/opotrebeniu na ľahkých komponentoch čerpadiel, ventily a separátory – najmä tam, kde je výhodná úspora hmoty.
• Tepelné ochranné vrstvy na komponentoch vo výrobe energie alebo výfukových systémoch; užitočné tam, kde sú výhodné vlastnosti keramickej tepelnej bariéry.

Náradie, formy a výrobné zariadenia

• Hliníkové nástroje na vstrekovanie, vytláčanie, tlakové liatie a tvárnenie za studena, kde zvýšená životnosť predlžuje životnosť nástroja a znižuje prestoje.
• Formovacie jadrá a vložky s tvrdými oxidovými povrchmi, ktoré redukujú odieranie a zlepšujú uvoľňovacie vlastnosti.

Elektronika a elektrická izolácia

• Chladič, kryty a prípojnice na hliníkových substrátoch, ktoré vyžadujú dielektrické povlaky na elektrickú izoláciu alebo na úpravu emisivity povrchu.
• Vysokonapäťové izolátory a priechodky, kde hustý vnútorný oxid poskytuje spoľahlivú dielektrickú pevnosť.

7. Výhody & obmedzenia

Nižšie je vyvážená prezentácia hlavných výhod a praktických obmedzení, ktoré by mali inžinieri a tímy obstarávateľov zvážiť pri hodnotení technológie.

Výhody mikrooblúkovej oxidácie

Metalurgická väzba a trvanlivosť

Povlak vyrastá z podkladu a je skôr metalurgicky ukotvený ako mechanicky pripevnený.

Táto rastová väzba znižuje riziko delaminácie pri mnohých prevádzkových podmienkach a poskytuje veľmi dobrú priľnavosť v porovnaní s mnohými striekanými alebo lepenými nátermi.

Vysoká tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu

Keramické fázy vytvorené in situ (napríklad oxid hlinitý na hliník) poskytujú podstatné zvýšenie tvrdosti povrchu a dramatické zníženie opotrebovania abrazívnym a adhéznym účinkom.

To robí proces atraktívnym pre kĺzanie, tesniace a abrazívne prostredie.

Funkčná laditeľnosť

Chémia elektrolytov a riadenie elektrického tvaru vlny umožňujú začlenenie funkčných látok (silikáty, fosfáty, vápnik, fluorid, nanočastice) prispôsobiť korózne správanie, bioaktivita, trenie alebo mazanie.

Tepelná a chemická stabilita

Keramické oxidové zložky sú prirodzene stabilnejšie ako organické povlaky pri zvýšených teplotách; preto povlaky Micro-Arc Oxidation rozširujú vysokoteplotnú schopnosť ľahkých zliatin.

Schopnosť elektrickej izolácie

Keď je vnútorný hustý oxid spojitý, povlak poskytuje užitočnú dielektrickú pevnosť, ktorú možno využiť na izoláciu alebo vysokonapäťové komponenty.

Environmentálne regulačné výhody

V niektorých aplikáciách opotrebovania a korózie je mikrooblúková oxidácia environmentálne výhodnejšou alternatívou k pochrómovaniu, pretože sa vyhýba chémii šesťmocného chrómu; však, nakladanie s odpadom z kúpeľov je stále potrebné.

Jednostupňová povrchová premena na ľahkých zliatinách

Micro-Arc Oxidation premieňa povrch substrátu na funkčnú keramiku v jedinom kúpeli, vyhýbanie sa viackrokovým sekvenciám ukladania v mnohých prípadoch použitia.

Obmedzenia mikrooblúkovej oxidácie

Požiadavka na pórovitosť povrchu a tesnenie

Vonkajšia vrstva je charakteristicky porézna. Pri aplikáciách citlivých na koróziu povlak zvyčajne vyžaduje krok utesnenia (organická/anorganická impregnácia, sol-gél, PVD uzáver) aby sa zabránilo prenikaniu korozívnych médií. Utesnenie zvyšuje zložitosť procesu a náklady.

Krehkosť a obmedzená húževnatosť

Keramické oxidy sú tvrdé, ale krehké. Hrubé alebo veľmi tvrdé povlaky, kryštalické vrstvy môžu prasknúť pri náraze alebo pri veľkom cyklickom zaťažení.

To obmedzuje hrúbku povlaku a vyžaduje overenie návrhu pre dynamické zaťaženie a únavové prostredie.

Citlivosť a nerovnomernosť geometrie

Ostré hrany, tenké rebrá a zložité prvky koncentrujú mikrovýboje a často sa zhrubnú, drsnejšie povlaky známe ako efekty hrán.

Dosiahnutie rovnomerného pokrytia zložitých častí vyžaduje premyslené upevnenie, pohyb časti, inžinierstvo tvaru vlny alebo viac orientácií počas spracovania.

Vysokonapäťové zariadenia a bezpečnosť

Proces funguje pri niekoľkých stovkách voltov a vyžaduje si robustné bezpečnostné systémy, kvalifikovaní operátori a režimy údržby. Výkonová elektronika a riadenie zvyšujú kapitál a prevádzkovú réžiu.

Spotreba energie a doba cyklu

V porovnaní s jednoduchým eloxovaním, proces spotrebuje viac elektrickej energie na jednotku plochy a doba úpravy sa môže pohybovať od niekoľkých minút až po desiatky minút v závislosti od cieľovej hrúbky.

Plánovanie výkonu musí brať do úvahy čas spracovania a následného spracovania.

Reprodukovateľnosť procesu & problémy so zväčšením

Reprodukovateľné režimy vypúšťania v rámci šarží a rôznych geometrií dielov nie sú triviálne.

Škálovanie od prototypu po výrobu si často vyžaduje investície do vývoja procesov (DOE), monitorovacie a kontrolné systémy (zaznamenávanie napätia/prúdu, analýza kúpeľov).

Nie je univerzálne použiteľný pre všetky kovy

Na mikrooblúkovú oxidáciu reagujú iba ventilové kovy, ktoré tvoria vhodné izolačné oxidy. Oceľ, zliatiny niklu a medi sa vo všeobecnosti nedajú priamo upravovať.

8. Porovnávacia analýza: Micro-Arc Oxidation verzus iné technológie povrchovej úpravy

Výklad:

Micro-Arc Oxidation jedinečne spája keramickú tvrdosť a metalurgickú väzbu na ľahkých zliatinách;

konkuruje tvrdému eloxovaniu a chrómovaniu pri opotrebovaní, ale ponúka rôzne kompromisy (pórovitosť vs. tvrdosť, environmentálna stopa, úspora hmotnosti substrátu).

Termálny sprej vyniká pre veľmi hrubé vrstvy, ale chýba mu rastová väzba oxidových metód.

9. Záver

Mikrooblúková oxidácia je transformačná, environmentálne priaznivá metóda povrchového inžinierstva, ktorá kombinuje elektrochémiu, plazmové mikrovýboje a rýchle tuhnutie na rast keramických filmov in situ na ventilových kovoch a ich zliatinách.

Výsledné oxidové systémy sú metalurgicky spojené so substrátom a poskytujú balík vysoko hodnotných vlastností - zvýšenú tvrdosť, dramaticky zlepšená odolnosť proti opotrebovaniu,

zvýšená korózia a tepelná stabilita, dobrá dielektrická pevnosť a, kde sú formulované, bioaktivita — to je ťažké dosiahnuť jedinou tradičnou liečbou.

Priemyselné prijatie zahŕňa letectvo, automobilový, elektronika, biomedicínsky a nástrojársky sektor, pretože mikrooblúková oxidácia spája vysoký výkon so schopnosťou potiahnuť zložité geometrie a vyhnúť sa niektorým nebezpečným chemikáliám používaným pri konvenčnom pokovovaní.

V rovnakom čase, praktické limity zostávajú: technika je do značnej miery obmedzená na ventilové kovy, rovnomernosť povlaku na veľkých alebo zložitých častiach môže byť náročná,

kontrola defektov a manažment kúpeľa zvyšujú náklady na proces, a spotreba energie je vyššia ako pri jednoduchej anodizácii.

Neustály pokrok — inteligentnejšie riadenie priebehu výkonu, kompozitné a duplexné nátery, vylepšené upevnenie a automatizácia, recyklácia kúpeľa a varianty procesov s nižšou spotrebou energie – rýchlo rozširujú použiteľnosť a znižujú náklady a ekologickú stopu.

Ako tento vývoj dozrieva, Micro-Arc Oxidation má dobrú pozíciu, aby sa stala základnou technológiou povrchového inžinierstva pre vysoký výkon, ľahká a udržateľná výroba.

Časté otázky

Ktoré kovy môžu byť ošetrené oxidáciou Micro-Arc?

Ide predovšetkým o hliník a jeho zliatiny, zliatiny horčíka a titánu – kovy, ktoré tvoria elektricky izolujúcu oxidovú vrstvu vhodnú na dielektrický rozklad a tvorbu mikrovýbojov.

Aké hrubé a tvrdé sú povlaky Micro-Arc Oxidation?

Typické priemyselné nátery siahajú od 5 do 60 µm v hrúbke; povrchová tvrdosť sa bežne pohybuje od 400 do 1,700 HV, závislé od energie procesu, obsah fázy a chémia elektrolytov.

Nahrádza mikro-oblúková oxidácia tvrdé chrómovanie?

Môže nahradiť tvrdý chróm pre niektoré aplikácie opotrebovania na ľahkých substrátoch, najmä tam, kde ide o environmentálne alebo regulačné problémy.

Avšak, chrómovanie stále ponúka veľmi husté, povrchy s nízkou pórovitosťou na mnohých substrátoch; najlepšia voľba závisí od funkčných požiadaviek.

Vyžadujú nátery Micro-Arc Oxidation dodatočnú úpravu?

Často áno. Pretože vonkajší povrch je porézny, tesnenie (organické alebo anorganické), impregnácia lubrikantmi, alebo tenké prekrytie (PVD) sa bežne používa na zvýšenie odolnosti proti korózii a zníženie trenia.