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工艺那些事儿 最炫氧化风,微弧氧化 | 微型计算机官方网站 MCPlive.cn

 看见就非常 2012-06-29

“采用航天科技”是大家经常听到的广告语,虽然其中大多数都是忽悠,但现在你所看到的绝对靠谱。我们敢说,当你抚摸HTC One S手机的外壳时,那感觉就如同你在触摸卫星,因为它们采用了相同的表面处理工艺——微弧氧化。

2012年4月,HTC发布了One系列手机,其中的One S尤其引人注目。One S的不凡之处在于它的特殊材料:一块抚摸起来如同陶瓷般触感的铝合金外壳。

我们都知道,金属和陶瓷是两种截然不同的物质,它们的触感也完全不同。但One S手机的后盖却同时拥有了金属的质感和陶瓷的触感,另外整块材料的表面呈现出一种由亮至暗的渐变色泽。最奇怪的是,黑色是这块铝合金本身的颜色,一般来说这意味着铝合金没有氧化层的保护。然而根据官方资料的介绍,One S手机的后盖拥有目前最顶级的防腐蚀和耐磨性能。创造出这些不可思议现象的,正是源于顶级的铝合金材料和前沿的微弧氧化工艺。

HTC One S的后盖采用了微弧氧化处理工艺

与NASA(美国国家航空航天局)制造的人造卫星一样,这块后盖的材料采用了航空级的6000系列铝合金。未经过处理的铝合金原材料分为很多等级,从1000系列到9000系列,每个系列都可以用于阳极氧化,其中只有2000系、6000系和7000系属于航空级材料。6000系铝合金以镁和硅为主要合金,被公认为是最耐腐蚀、强度高、易于焊接的材料,也是高档山地自行车的制作材料,可见成本不菲。

而微弧氧化也是广泛用于航空航天领域的一种金属表面处理工艺,当微弧氧化与6000系铝合金相结合时,就创造出了用于人造卫星外壳的特殊材料。

一时间,这项前沿的金属表面处理工艺—微弧氧化就成为了手机外壳最炫、最耐磨、最顶级的代名词。此时我们不禁会想到,到底有几种金属表面处理工艺?微弧氧化和广泛应用的阳极氧化又有什么区别呢?

究竟有几种金属表面处理工艺?

绝大多数金属处理工艺都是在金属的表面做文章,所以常被人们笼统地叫作金属表面处理工艺。

常见的金属处理工艺有金属淬火、金属氮化、金属表面变形强化、金属表面覆层强化、金属磷化和金属氧化等。目前最火的微弧氧化和阳极氧化就是金属氧化处理中的两种工艺。

1.金属淬火可谓是金属处理工艺的开山鼻祖,它的历史比金属氧化要古老得多。大家在历史剧中一定经常看到铁匠打铁的场景,当一把通红的剑被铁匠反复捶打成型后,会立即放入冷水里冷却,伴随着刺耳的“嗤嗤”声,大量的水蒸气蒸腾而出。这就是金属的淬火过程,目的是大幅度提升金属的硬度,缺点是脆性会增加。淬火在本质上属于金属处理工艺中的热处理。

古代淬火工艺

2.金属氮化其实是一系列氮化处理的统称,包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等具体工艺。金属氮化处理的效果和金属氧化差不多,但金属氮化的主要目的是为了提升金属的耐磨性,在其他方面则比不上金属氧化。在本质上,金属氮化属于热处理。

对耐磨性要求较高的工业齿轮一般采用氮化处理
对耐磨性要求较高的工业齿轮一般采用氮化处理

3.表面变形强化是指利用外力使金属发生变形或塑造金属的模样,如喷丸、滚压等,这是一种纯物理的金属处理。

金属滚压是表面变形强化中的一种

4 .表面覆层强化就是我们见过非常多的金属喷涂、电镀等等工艺,是在金属表面覆盖上一层其他金属或物质。这也是一种纯物理的金属处理。

5 .金属磷化处理也是一种热处理,主要目的是为了提升金属的抗腐蚀能力和提高油漆漆膜的附着力。

经过磷化处理的黑色金属便于涂上各种油彩

6.本文重点探讨的微弧氧化和阳极氧化属于金属氧化处理,它们与其他金属处理工艺最大的区别是在工艺中需要借助电流的作用,因此属于电化学的范畴。

等离子态
等离子态

微弧氧化室的放电控制设备
微弧氧化室的放电控制设备

弧光放电
弧光放电

别看金属处理的工艺有这么多,但它们并不适用于所有金属材料。有的金属由于本身的化学特性,只能进行氧化或者氮化处理,例如磷只能和活泼金属钠或者钙进行反应,所以一般的金属很难进行磷化处理。而淬火和氮化处理大多是与钢材相关的处理工艺。再加上效果和成本的考虑,不同的金属只能选择最适合自己的处理工艺。在多种因素的作用下,氧化处理是大部分金属适用并应用最广泛的金属处理工艺。

从微观看微弧氧化

想要弄清楚微弧氧化的原理,首先让我们先回顾一下阳极氧化的原理:把铝及铝合金放在对应的电解液中,在金属表面上通过电流,从而在表面上形成一层氧化膜的过程(详细技术解析请参考本刊4月上的《阳极氧化,金属的救赎》)。微弧氧化与阳极氧化最大的区别则在于通过的电流强度和形成的保护膜。

HTC One S的后盖正在进行微弧氧化处理
HTC One S的后盖正在进行微弧氧化处理

简单来说,微弧氧化是在普通阳极氧化的基础上,通过高压放电强化金属制品(阳极)的氧化反应,最终在铝、钛、镁金属及其合金的材料或制品上形成强化的陶瓷膜。

显微镜下的40微米陶瓷层
显微镜下的40微米陶瓷层

实际上,微弧氧化(MAO)又叫做等离子体电解氧化(PEO)。这里面的等离子体是如何产生的呢?要解答这个问题,先让我们从太空中寻找答案。

微弧氧化膜的剖面图
微弧氧化膜的剖面图

宇宙中大部分发光的星球,其内部温度和压力都极高,这些星球的内部物质不可能呈现固态、液态或者气态这三种常态,只会呈现出一种等离子态。当原子丢失或者增加电子的时候,原子就变成了离子。当温度不断的升高,气体分子就会分裂成独立的原子。再进一步升高温度,连原子中的电子都会单独“逃”出来,并自动完成了一次电离。这种过程如果一直持续下去,自由电子和离子的浓度会逐渐增加,物质会构成一种散乱无序的“混沌”状态。当浓度达到一定量时,物质的本质就发生了根本性的变化,这时整个物质就处于物质的第四态:等离子态。

等离子态的氧气和电解质接触会让铝制品产生微弧氧化的效果,但如何在人工环境中快速、剧烈地升温,从而制造出等离子态的氧气呢?答案是:一万伏特的电击!相当于闪电的瞬间电压,这也是HTC One S手机外壳在微弧氧化时所采用的电压。

当一万伏特的电流击穿氧气时,气体会产生强烈的弧状放电这一自然现象,并产生数千至上万度的高温。这一切的剧烈反应都发生在一小块面积的铝制品上,在那里,化学、电化学、等离子体氧化同时发挥着作用,最终在铝制品上形成一层非常复杂的黑色陶瓷层结晶。至此,微弧氧化就算完成了。只是由于过程太过复杂,至今没有一个详细的模型能够全面描述陶瓷层的形成过程。

最炫、最强的金属氧化

经过剧烈的微弧氧化处理之后,铝、镁、钛及其合金的表面上会形成数十或数百微米的陶瓷层。这种陶瓷层不仅克服了阳极氧化的缺陷,并且前所未有地提高了氧化膜层的综合性能。陶瓷层与基体牢固结合、结构紧密,具有超强的韧性、耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。微弧氧化后的铝合金强度是未处理前的5倍,是不锈钢强度的3倍,同时抗腐蚀性比一般的阳极氧化要好得多。据相关实验显示,微弧氧化后的铝制品比阳极氧化后的铝制品耐腐蚀性要高3个数量级,也就是数百倍的程度。

另外,采用微弧氧化外壳的电子产品非常耐磨,甚至有不再需要保护套,可直接抵抗钥匙等硬物刮擦的说法。对此,《微型计算机》评测室将会在第一时间进行验证。

有读者还会问,目前阳极氧化已经可以实现近10种色彩,而微弧氧化似乎只有黑色一种色彩?实际上,虽然HTC One S采用黑色的微弧氧化铝合金后盖,但这并不意味着微弧氧化的金属制品只能是黑色的本色。

与阳极氧化相同,微弧氧化也可以采用吸附有机或无机染料着色法,制造出白色、咖啡色、浅绿色、灰色等美观色。不同的是,阳极氧化吸附的染料在表面膜层上不够稳定,可能会出现褪色的情况,还会导致金属制品的耐磨性和防腐蚀性能稍稍降低;而微弧氧化后的金属表面色泽稳定,陶瓷层吸附染料也不会导致防腐耐磨性能降低。无论从哪方面看,微弧氧化无疑都比阳极氧化更胜一筹。

当然,彩色的微弧氧化处理相比黑色的金属本色在技术难度和成本上更高,因此这主要是看厂商的选择。

可能有读者马上会问,要如何分辨微弧氧化和阳极氧化呢?其实这再简单不过了,只要你动手一摸,那种陶瓷般的触感,就是微弧氧化最好的“身份证”,阳极氧化无论如何也模拟不出这种感觉。

朝气蓬勃的微弧氧化

虽然微弧氧化的陶瓷膜较阳极氧化膜在防腐蚀、耐磨性、电绝缘性和装饰性等方面都有明显的改善和提高,但并不意味着微弧氧化就属于高端市场的专有产物。事实上,微弧氧化正体现出非常明显的普及趋势。

理论上,微弧氧化适合所有的金属行业,但客观上由于微弧氧化所需电功率太大,因此更适合于小工件的产业,航空航天和IT产品正好符合微弧氧化的应用目标。除了已经推出的HTC One S手机之外,其他一些笔记本电脑品牌也传出将开发采用微弧氧化工艺产品的消息。

除了所需电功率较大之外,微弧氧化工艺实际上并不算复杂,所使用的硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐等电解质是环保无毒的,对铝材的要求也不高,不管是6000系的航空级铝材,还是难以阳极氧化的含铜、含硅铝材都可以进行微弧氧化,并且能得到理想的陶瓷结晶层。微弧氧化在处理过程中会自动对制品表面进行抛光处理,一些粗糙的制品表面可以修复得平整光滑,在一定程度上也节省了后期成本。

微弧氧化由于具有工艺简单、占地面积小、效果强、效率高、适合规模生产,又对环境污染小,因此目前在诸多行业都处于蓬勃发展的时期。可以预见在未来的IT领域,微弧氧化工艺也将会迎来大规模应用的时代。

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