鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝研究

張勝寶， 師玉英， 張 旭

(哈爾濱東安發(fā)動機集團有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝研究

張勝寶， 師玉英， 張 旭

(哈爾濱東安發(fā)動機集團有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

通過大量的工藝試驗，確定了能夠同時滿足三種鋁合金硬質(zhì)陽極氧化的溶液配方、工藝流程和工藝參數(shù)。實驗結(jié)果表明，通過選擇適當?shù)墓に噮?shù)，能夠在鋁合金表面形成均勻、致密、高耐磨、高耐蝕性的硬質(zhì)陽極氧化層。

硬質(zhì)陽極氧化;脈沖;硬度

引 言

鋁是一種比較活潑的金屬，在空氣中和氧發(fā)生作用，在表面生成一層很薄的自然氧化膜(Al2O3)，將鋁合金零件作陽極在一定溫度、一定濃度的硫酸溶液中，施加一定的電流和電壓，經(jīng)過一定的時間，即可在其表面獲得一層比在自然條件下產(chǎn)生的自然氧化膜厚得多的、可控的、有一定厚度(＞50μm)的、硬度大于250HV的硬質(zhì)陽極氧化膜。它具有較強的硬度和耐磨性、有很好的絕熱性、有優(yōu)良的電絕緣性、有很高的耐蝕性、還有很強的結(jié)合力。該膜層的產(chǎn)生極大地改變了鋁合金的使用性能，這種具有獨特使用價值的工藝技術(shù)，使之在航空和航天領域得到了廣泛應用［1-4］。鋁合金硬質(zhì)陽極氧化加工行業(yè)現(xiàn)實的情況是，要獲得合格的硬質(zhì)陽極氧化膜，所采用的工藝，對不同的鋁合金材料，要采用不同的溶液、不同的工藝參數(shù)進行加工，所用電源有直流、交直流疊加、直流疊加脈沖及脈沖等方式，這需要幾套槽液，幾種電源，這是由于鋁合金材料不同、所含元素不同、所含元素質(zhì)量的不同決定的。也就是技術(shù)難點所在。

另外，由于部分零件外露，需要在保證硬度的情況下，提高其耐蝕性，鹽霧試驗時間要求達到336 h以上無腐蝕。

為此，要研制開發(fā)在同一種成份、同一種濃度的硬質(zhì)陽極氧化槽液中、使用同一個電源，在不同的鋁合金材料制作的產(chǎn)品上獲得符合標準的硬質(zhì)陽極氧化膜的生產(chǎn)工藝是必要的。

1 原理簡介與工藝方案

1.1 原理簡介

用硫酸電解液進行鋁合金硬質(zhì)陽極氧化的機理，與鋁合金普通硫酸陽極氧化的原理基本相同。普通的硫酸陽極氧化，槽液溫度在16～20℃，電壓在12～20V，氧化膜的生成速度與溶解速度很快就達到動態(tài)平衡了。氧化的過程中伴有大量的熱產(chǎn)生，這也提高了反應界面的溫度，使氧化膜的溶解速度更快，此時即使延長陽極氧化時間，膜層厚度也不會增加，反而零件的幾何尺寸會不斷減?。?-6］。因此，為了獲得合格的硬質(zhì)陽極氧化膜層，在膜的“生長”和“溶解”這對矛盾中，要促進膜的“生長”速度，同時還要抑制膜的“溶解”速度。促進膜的“生長”速度的措施一般是提高陽極氧化的電壓，以加快陽極反應，使膜層迅速生成。另外，降低槽液溫度，降低槽液的硫酸濃度，這都會抑制膜的“溶解”速度。但是過度提高陽極氧化的電壓，會造成陽極氧化膜的電擊穿故障，燒損零件，造成零件報廢(Al2O3的陽極氧化膜層具有高絕緣性)。槽液中硫酸濃度過低，雖然降低了膜層的溶解速度，但溶液的導電性也會隨之降低，且還會降低陽極的反應速度，抑制膜層的生成。降低槽液的溫度是一個較好的方法，它能夠降低硫酸溶液對膜層的溶解速度，但由于受制冷設備的制約，受到一定的限制［7-9］。

本研究課題對三種不同的材料，摸索篩選出在同一種溶液中，用一個電源，只是變換電源的輸出方式和其它工藝參數(shù)，就能獲得符合它們各自標準要求的硬質(zhì)陽極氧化膜的工藝方法。

1.2 工藝方案

1.2.1 工藝流程

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝流程如下:

產(chǎn)品驗收→有機溶劑除油→裝掛絕緣→化學除油→流動熱水洗→流動冷水洗→鉻酸和硫酸混合溶液酸洗→冷水逆流水洗→硬質(zhì)陽極氧化→流動冷水洗→干燥→卸卡→檢驗。

1.2.2 硬質(zhì)陽極氧化工藝參數(shù)

為使三種不同的鋁合金材料，能在同一種陽極氧化槽液中進行生產(chǎn)，減少生產(chǎn)線上同時有多個硬質(zhì)陽極氧化槽和整流電源，節(jié)約投資和降低生產(chǎn)費用、降低管理成本，同時又能滿足在三種不同的鋁合金材料的零件上獲得符合標準的硬質(zhì)陽極氧化膜，根據(jù)ZL114A、2A12、7075三種不同的鋁合金材料的標準(表1)和鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量標準HB5057-93及對零件具體的質(zhì)量要求(表2)，確定了硬質(zhì)陽極氧化槽液，通過工藝實驗進行篩選，優(yōu)選出最佳的工藝配方。

表1 三種鋁合金材料的組成

表2 硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗收標準

在硬質(zhì)陽極氧化溫度的選擇和確定上，由于2A12的材料含銅量較高，達到3.8%～4.9%，而膜層硬度要求達到≥250HV，所以要選用較低的硬質(zhì)陽極氧化溫度，結(jié)合生產(chǎn)線上現(xiàn)有的制冷設備，初步將溫度定在(-2～-6)℃。

在電源上，利用生產(chǎn)線一臺多用整流器進行試驗，電源為多波型全自動脈沖電源(型號為KMF)，采用直流、直流疊加脈沖、脈沖等工藝進行試驗，優(yōu)選出最佳的工藝參數(shù)。

2 工藝試驗

2.1 硬質(zhì)陽極氧化工藝參數(shù)確定

2.1.1 7075鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝與參數(shù)的確定

從表1中可知7075鋁合金其銅質(zhì)量分數(shù)為1.2% ～2.0%，相對較高，而銅含量對其生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的影響是隨著銅含量的升高，所生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度是降低的，當w(Cu)≥4%時，使用普通的硬質(zhì)陽極氧化電源所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度和厚度是達不到要求的。經(jīng)過實驗，獲得了合格的硬質(zhì)陽極氧化膜層。

7075鋁合金硬質(zhì)陽極氧化槽液成分與工藝參數(shù):

槽液組成:

起始電流密度0.5A/dm2，經(jīng)過17min～20min逐漸升至2.5～25A/dm2，然后根據(jù)所需的膜層厚度，確定所保持的時間，要得到60～80μm的膜層厚度，保持時間為70～90min，θ為-2～-6℃。

試驗結(jié)果見表3。

表3 7075鋁合金硬質(zhì)陽極氧化試驗結(jié)果

從試件外觀質(zhì)量、厚度測量、檢驗報告得出，該工藝所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜達到了硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗收標準。

2.1.2 ZL114A鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝與參數(shù)的確定

從表1中可知，ZL114A鋁合金中 w(Cu)≥0.1%，w(Si)為 6.5% ～ 7.5% ，因為硅的存在極大地降低了零件的導電性，進而影響硬質(zhì)陽極氧化膜的生成，使用普通的硬質(zhì)陽極氧化電源所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度和厚度是達不到質(zhì)量標準的。采用脈沖電源進行試驗，獲得了合格的、滿足硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗收標準的硬質(zhì)陽極氧化膜層，在實驗中采用殼體零件直接進行。

ZL114A鋁合金硬質(zhì)陽極氧化槽液成分與工藝方法:氧化槽液成分同 2.1.1。

電源:t通∶t斷=3 ∶1，脈沖頻率:50Hz，起始平均電流密度0.5A/dm2，經(jīng)過17～20min持續(xù)升至2 ～2.5A/dm2，然后根據(jù)所需的膜層厚度，確定所保持的時間，要得到60～80μm的膜層厚度，保持時間為80～100min。試驗結(jié)果見表4。

表4 ZL114A鋁合金硬質(zhì)陽極氧化試驗結(jié)果

從試件外觀質(zhì)量、厚度測量、檢驗報告得出，該工藝所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜達到了硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗收標準。

2.1.3 2A12鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝試驗與參數(shù)的確定

從表1中2A12鋁合金可知，w(Cu)為3.8% ～4.9%，含銅相對量較高，而銅含量對其生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的影響是關(guān)鍵性的，隨著銅含量的升高，所生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度是降低的，當w(Cu)≥4%時，使用普通的硬質(zhì)陽極氧化電源所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度和厚度是達不到質(zhì)量標準的。根據(jù)實際情況和所掌握的知識，采用脈沖電源進行試驗，獲得了合格的、滿足硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗收標準的硬質(zhì)陽極氧化膜層。

2A12鋁合金硬質(zhì)陽極氧化槽液成分與2.1.1相同，其工藝條件為:

電源:t通∶t斷=3 ∶1，脈沖頻率:50Hz，起始平均電流密度 0.5A/dm2，經(jīng)過 20min持續(xù)升至 2～2.5A/dm2，然后根據(jù)所需的膜層厚度，確定所保持的時間，要得到60～80 μm的膜層厚度，保持時間為70～90min，試驗結(jié)果見表5。

表5 2A12鋁合金硬質(zhì)陽極氧化試驗結(jié)果

從試件外觀質(zhì)量、厚度測量、檢驗報告得出，該工藝所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜達到了硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗收標準。

2.2 耐蝕性試驗

以上試驗結(jié)果均已滿足外觀、厚度和硬度要求，但需要對其耐蝕性進行進一步驗證。對試件按GJB150進行鹽霧試驗，合格時間為336h。

試驗結(jié)果:三種材料的試片分別在98、132和112 h出現(xiàn)腐蝕點。

由于耐蝕性未達到要求，在原有工藝流程的基礎上，增加了填充工序，填充溶液組成及操作條件如下:

經(jīng)填充后，三種材料的試片在經(jīng)過500 h鹽霧試驗后，試片表面無任何腐蝕情況，膜層硬度及耐磨性有輕微下降，但均符合要求。

2.3 工藝流程

試驗過程中，對3種不同材料，進行了多個批次的實驗，歸納為可行的工藝流程如下:

產(chǎn)品驗收→有機溶劑除油→裝掛絕緣→化學除油→流動熱水洗→流動冷水洗→鉻硫酸酸洗→冷水逆流水洗→硬質(zhì)陽極氧化→流動冷水洗→填充→流動冷水洗→干燥→卸卡→檢驗。

3 結(jié)論

通過對3種不同鋁合金材料的硬質(zhì)陽極氧化工藝實驗與試生產(chǎn)，獲得了符合質(zhì)量標準的硬質(zhì)陽極氧化膜層，根據(jù)質(zhì)量檢驗和測量報告，確定了硬質(zhì)陽極氧化工藝配方及工藝方法，達到了攻關(guān)的目的。該項目的成功，使鋁合金硬質(zhì)陽極氧化加工技術(shù)，尤其是脈沖電源硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)上有較大的突破，填補了技術(shù)空白。所積累的經(jīng)驗對于今后其它鋁合金材料的硬質(zhì)陽極氧化生產(chǎn)和改進有著重要參考價值。

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［8］陳德寶.鋁合金硬質(zhì)陽極氧化實踐［J］.材料保護，1997，(07):9-12.

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Hard Anodizing Technology of Aluminum Alloy

ZHANG Sheng-bao，SHI Yu-ying，ZHANG Xu
(Harbin Dongan engine group corporation Ltd.，Harbin 150066，China)

The electrolyte composition，technological process and parameters satisfying simultaneously the hard anodizing of three aluminum alloys were determined by a large number of experiments.The results showed that a dense and uniform hard anodizing film with higher corrosion and wear resistances could be formed on aluminum alloy by selecting suitable process parameters.

hard anodizing;pulse;hardness

TG174.45

A

1001-3849(2011)08-0043-04

2011-05-30

2011-06-23