前處理對(duì)微弧氧化鋁鎂合金尺寸的影響

王蘭*，鄭業(yè)方，夏玉亮

（株洲九方熱表技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412001）

鋁及其合金由于硬度低、耐磨性差而需要進(jìn)行表面處理，以賦予其各種優(yōu)異的功能特性。微弧氧化被廣泛用于提高有色金屬的表面機(jī)械性能。微弧氧化采用較高的工作電壓，將工作區(qū)域由普通陽極氧化的法拉第區(qū)域引入高壓放電區(qū)域，可在有色金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷氧化膜。這層氧化膜厚度可達(dá)300 μm，最高顯微硬度可達(dá)3 000 HV，絕緣電阻大于100 M?，與基體結(jié)合力強(qiáng)，尺寸變化小，使鋁合金耐磨損、耐腐蝕及電絕緣等性能得到極大改善[1-2]。

某型號(hào)動(dòng)車組牽引電機(jī)的端蓋要求進(jìn)行微弧氧化以獲得高性能的產(chǎn)品表面。這種端蓋為鋁鎂合金C5M4，是由日本九洲三井鋁業(yè)株式會(huì)社在韌性特別好的AC7A 材料上加以改良而得到的[3-4]。電機(jī)端蓋要求高度的裝配契合，因此對(duì)精加工面的孔徑尺寸的精確度要求非常高，偏差不允許超過0.020 mm，同時(shí)要求微弧氧化膜厚為(0.010 ± 0.005)mm。生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用傳統(tǒng)化學(xué)除油、酸洗方式對(duì)該端蓋進(jìn)行微弧氧化前處理時(shí)，若溶液溫度、清洗時(shí)間等參數(shù)控制不力，就存在工件尺寸超出公差范圍的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，超聲波清洗具有高效，環(huán)保，溫度、時(shí)間等參數(shù)易于控制的特點(diǎn)，在批量生產(chǎn)、清洗要求高、精密件加工等場(chǎng)合中應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)非常明顯[5]。因此，為了避免端蓋微弧氧化后尺寸超差，本文研究了微弧氧化前處理工藝對(duì)端蓋尺寸的影響，并提出有效的解決措施，以期指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 儀器與材料

實(shí)驗(yàn)儀器：MAO240-H 微弧氧化電源設(shè)備(東莞秦人金屬科技有限公司)，CK-F7200 超聲波清洗機(jī)(長(zhǎng)沙超科機(jī)電設(shè)備有限公司)，遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫儀(CENTER Technology Corp.)，TT260 渦流測(cè)厚儀(北京時(shí)代盈海科技有限公司)，游標(biāo)卡尺(上海刃具量具廠)。

實(shí)驗(yàn)藥品：堿性鋁合金清洗劑CK-J946和酸性鋁合金清洗劑CK-S306，長(zhǎng)沙超科機(jī)電設(shè)備有限公司。氫氧化鈉(98%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、碳酸鈉(98%)、磷酸三鈉(95%)，濃硝酸(98%)，市售工業(yè)級(jí)。

基材：某型號(hào)動(dòng)車組牽引電機(jī)的端蓋，材料成分如下：Mg 3.5%～4.5%，Cu 0.22%～0.40%，Si ≤0.3%，F(xiàn)e ≤0.1%，Zn ≤0.4%，Mn ≤0.6%，Ni ≤0.2%，Ti ≤0.2%，Pb ≤0.2%，Sn ≤0.1%，Al 余量。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 某型號(hào)動(dòng)車組牽引電機(jī)端蓋示意圖Figure 1 Schematic diagram of the end cover of an EMU traction motor

1.2 鋁鎂合金微弧氧化工藝流程

除油─水洗─酸洗(去除表面浮灰、雜質(zhì)金屬)─水洗─微弧氧化─水洗─干燥─檢驗(yàn)─成品。

(1)除油工藝1：碳酸鈉50～60 g/L，磷酸三鈉50～60 g/L，氫氧化鈉5～6 g/L；溫度40～50°C，清洗時(shí)間3～8 min。

(2)除油工藝2：20 g/L CK-J946 清洗劑，同時(shí)采用超聲波清洗機(jī)(40 kHz，7.2 kW)增強(qiáng)除油，溫度：35°C，清洗時(shí)間2～5 min。

(3)酸洗工藝1：工業(yè)濃硝酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)，常溫，清洗時(shí)間0.5～1.0 min。

(4)酸洗工藝 2：CK-S306 清洗劑(體積分?jǐn)?shù)1∶40～1∶50)，常溫，清洗時(shí)間1～3 min。

(5)微弧氧化工藝：六偏磷酸鈉35～40 g/L，硅酸鈉7～8 g/L，鎢酸鈉5～6 g/L，pH 9～11(用氫氧化鈉調(diào)節(jié))；電源頻率700 Hz，占空比18%，溫度25～28°C，陰極平均電流密度1 A/dm2，氧化時(shí)間25 min。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為了研究微弧氧化各工序?qū)︿X鎂合金工件尺寸的影響，設(shè)計(jì)了兩個(gè)純化學(xué)處理方案，以探討純化學(xué)前處理對(duì)鋁鎂合金工件尺寸的影響。

方案1：采用除油工藝1，將56 件端蓋置于40°C溫度下浸漬5 min，清洗后采用酸洗工藝1 于28°C 酸洗1 min，分別測(cè)量來料、前處理后、微弧氧化后的端蓋孔徑尺寸，并測(cè)量氧化膜厚度。

方案2：采用除油工藝1和酸洗工藝1 對(duì)3 件端蓋(1#、2#和3#)進(jìn)行前處理，1#在28°C 分別除油10 min、20 min；2#在28°C 的工業(yè)硝酸中分別酸洗1 min、2 min；3#在45°C 分別除油10 min、20 min。分別在各步處理后測(cè)量端蓋的孔徑尺寸。

為了考察超聲波清洗的效果，采用除油工藝2和配套的酸洗工藝2，對(duì)3 件端蓋(4#、5#和6#)先除油3 min、酸洗2 min，再除油6 min、酸洗4 min，然后微弧氧化。分別在各步測(cè)量端蓋孔徑尺寸，并測(cè)量氧化膜厚度。

1.4 檢測(cè)方法

1.4.1 孔徑尺寸檢測(cè)方法

樣品和量具均處于室溫時(shí)，采用十字取點(diǎn)法分別測(cè)φ 450和φ 484 孔徑尺寸各兩個(gè)值，取其均值。由于鋁合金熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致其尺寸尤其是孔徑尺寸隨溫度變化很明顯。因此，所測(cè)孔徑尺寸均在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，計(jì)算得到的數(shù)據(jù)表示產(chǎn)品在恒溫20°C時(shí)的尺寸。計(jì)算公式為：

其中，I為熱膨脹補(bǔ)償值(mm)，L為測(cè)量所得尺寸(mm)，a為產(chǎn)品的熱膨脹系數(shù)(a =24×10?6)，b為量具的熱膨脹系數(shù)(b =12×10?6)，t為產(chǎn)品的溫度(°C)。

1.4.2 微弧氧化膜厚度檢測(cè)方法

樣品和量具均處于室溫時(shí)，采用渦流測(cè)厚儀分別測(cè)量?jī)?nèi)腔和外圓精加工平面同一圓周上的氧化膜厚度各3 個(gè)值(3 個(gè)測(cè)量點(diǎn)將圓周三等分)，取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 純化學(xué)前處理工藝對(duì)端蓋尺寸的影響

純化學(xué)前處理引起的端蓋尺寸變化見圖2。圖2顯示，端蓋經(jīng)40°C 除油工藝1 溶液除油5 min、28°C工業(yè)硝酸酸洗1 min 后孔徑尺寸變化大多在0.005～0.020 mm 范圍內(nèi)，部分在0.020～0.040 mm 之間。

圖2 純化學(xué)前處理引起的端蓋尺寸變化圖Figure 2 Variation of dimension of end cover by pure chemical pretreatment

純化學(xué)前處理參數(shù)對(duì)端蓋尺寸的影響見表1。

表1 純化學(xué)前處理參數(shù)對(duì)端蓋尺寸的影響Table 1 Effects of pure chemical pretreatment parameters on dimension of end cover

表1 顯示，端蓋在28°C 的除油工藝1 溶液中清洗時(shí)間從10 min 增至20 min，其孔徑尺寸緩慢增加；端蓋在28°C 的工業(yè)硝酸中清洗時(shí)間從1 min 增至2 min，其孔徑尺寸基本不變，表明鋁合金在工業(yè)硝酸中的溶解速度達(dá)到一定臨界值以后隨時(shí)間延長(zhǎng)而降低，這是其表面被鈍化所致；當(dāng)除油溶液升溫至45°C 后，端蓋在其中清洗10 min的孔徑尺寸變化為0.018～0.023 mm，大于在28°C 除油20 min時(shí)的孔徑尺寸變化0.005～0.015 mm，可見除油溶液的溫度變化對(duì)端蓋的溶解量影響較大；在45°C 的除油溶液中延長(zhǎng)浸泡時(shí)間至20 min，孔徑尺寸變化為0.005～0.013 mm，表明此時(shí)的端蓋溶解速度已減緩。經(jīng)過清洗延時(shí)、溶液升溫等一系列試驗(yàn)后，端蓋孔徑尺寸累計(jì)變化達(dá)0.055～0.060 mm?？梢?，若純化學(xué)前處理的清洗時(shí)間和溶液溫度沒有得到有效控制，端蓋的孔徑尺寸有超出公差的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 微弧氧化對(duì)端蓋尺寸的影響

微弧氧化對(duì)端蓋尺寸的影響統(tǒng)計(jì)如圖3，其氧化膜厚度統(tǒng)計(jì)如圖4。

圖3 微弧氧化對(duì)端蓋尺寸的影響Figure 3 Effect of micro-arc oxidation on dimension of end

圖4 氧化膜厚度統(tǒng)計(jì)圖Figure 4 Statistics of thickness of oxide film

圖3 顯示，端蓋微弧氧化后尺寸變化集中在0.005～0.020 mm?？梢?，氧化工序不會(huì)引起端蓋尺寸超出公差，這也驗(yàn)證了微弧氧化是在基體原位生長(zhǎng)陶瓷膜，并不會(huì)引起基體尺寸變小[6]。

圖4 顯示，端蓋內(nèi)腔平均膜厚在0.005～0.012 mm之間，外圓平均膜厚在0.007～0.014 mm 之間，這是由于邊緣受到的電場(chǎng)屏蔽比內(nèi)腔小，因而脈沖電流較大，成膜速度較快，最終造成外圓和內(nèi)腔氧化膜的厚度存在差異[7-8]。

2.3 超聲波清洗對(duì)端蓋尺寸的影響

超聲波清洗對(duì)端蓋尺寸的影響見表2。

表2 超聲波清洗對(duì)端蓋尺寸的影響Table 2 Effect of ultrasonic rinsing on dimension of end cover

表2 表明，采用除油工藝2和酸洗工藝2 對(duì)3 件端蓋進(jìn)行前處理后，孔徑尺寸變化在0.005～0.010 mm之間，此時(shí)端蓋表面清潔狀態(tài)已符合微弧氧化前處理要求。繼續(xù)在超聲波堿液中除油6 min，酸液中清洗4 min，孔徑尺寸變化在0.005～0.010 mm 之間；微弧氧化后端蓋尺寸變化在0.010～0.020 mm 之間?？梢?，采用超聲波清洗技術(shù)對(duì)鋁鎂合金進(jìn)行微弧氧化前處理，可保證產(chǎn)品微弧氧化后的最終質(zhì)量。經(jīng)過為期半年對(duì)7 200 件端蓋的生產(chǎn)實(shí)踐，驗(yàn)證了超聲波清洗有利于時(shí)間和溫度等參數(shù)的有效控制，并穩(wěn)定和提升了微弧氧化的產(chǎn)品質(zhì)量。

3 結(jié)論

(1)端蓋經(jīng)過微弧氧化后，孔徑尺寸變化在0.005～0.020 mm 之間，氧化膜厚度在0.005～0.014 mm 之間，證明微弧氧化過程不會(huì)引起鋁鎂合金尺寸變化超出公差，其原因在于微弧氧化是一種在基體原位生長(zhǎng)陶瓷膜層的技術(shù)。

(2)采用純化學(xué)方法對(duì)端蓋進(jìn)行前處理，孔徑尺寸變化大多在0.005～0.020 mm范圍內(nèi)，部分在0.020～0.040 mm 之間；當(dāng)處理時(shí)間延長(zhǎng)或溶液溫度升高時(shí)，端蓋孔徑尺寸的變化增加，說明純化學(xué)方法不利于鋁鎂合金精密件對(duì)尺寸的控制。

(3)采用超聲波清洗技術(shù)對(duì)端蓋進(jìn)行微弧氧化前處理，端蓋孔徑尺寸變化在0.005～0.010 mm 之間。該方法適用于鋁鎂合金精密件的微弧氧化前處理。

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