5052鋁合金硬質(zhì)陽(yáng)極氧化工藝研究

陳　梁，廖重重，劉晨岑，熊　雄，王　茜（比亞迪股份有限公司，廣東　惠州　516000）

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5052鋁合金硬質(zhì)陽(yáng)極氧化工藝研究

陳梁，廖重重，劉晨岑，熊雄，王茜
（比亞迪股份有限公司，廣東惠州516000）

摘要：以硫酸為基礎(chǔ)電解液，同時(shí)混合加入草酸與添加劑，優(yōu)化了電源參數(shù)及添加劑濃度配比，優(yōu)化得出最佳工藝參數(shù)：10 g/L草酸和44 g/L添加劑，電流密度為3 A/dm2，氧化時(shí)間為40 min，占空比為80%。在該條件下得到的氧化膜厚度為40 μm，硬度為490 HV，氧化膜表面納米孔結(jié)構(gòu)均勻致密。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)陽(yáng)極氧化；5052鋁合金；添加劑

0　引言

鋁及其合金具有密度小、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，且當(dāng)前鋁的產(chǎn)量和用量?jī)H次于鋼鐵，成為人類使用的第二大金屬[1]。但其硬度低，耐磨、耐腐蝕等性能較差。而硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜具有優(yōu)良的絕緣、耐磨和耐腐蝕性能[2-3]，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜厚度可達(dá)到40～200 μm[4]，使得硬質(zhì)陽(yáng)極氧化廣泛應(yīng)用于飛機(jī)，紡織、食品、汽車等機(jī)械零部件表面防護(hù)方面。

目前，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化通常采用硫酸為電解液[5]，這種電解液成本低，且生產(chǎn)槽液成分、濃度等易于管控。在特殊要求情況下，為了進(jìn)一步提高膜層的硬度等往往需要添加有機(jī)物、無(wú)機(jī)鹽等，也有單獨(dú)采用純有機(jī)酸作為電解液[6]。硬質(zhì)陽(yáng)極氧化另一個(gè)重要工藝參數(shù)為電源輸出參數(shù)，通常采用的有直流、交流、交直流疊加，正脈沖、正負(fù)脈沖，直流疊加脈沖等電源[7]。本實(shí)驗(yàn)所采用的為單向正脈沖電源。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為5052鋁合金（化學(xué)成分如表1所示），切割為120 mm×100 mm的鋁片。

表1　5052鋁合金的化學(xué)成分

采用正向單脈沖電源，氧化槽內(nèi)掛具為鈦合金材質(zhì)，氧化槽容量為200 L。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

以5052鋁合金為材料，應(yīng)用控制變量法研究電流密度、草酸及添加劑濃度、氧化時(shí)間、占空比對(duì)硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜層機(jī)構(gòu)性能的影響，優(yōu)化得到最佳工藝。

1.3實(shí)驗(yàn)流程

圖1　硬質(zhì)陽(yáng)極氧化流程圖

具體步驟中所用到的藥品成分如下：

除油：NaOH、Na2CO3及Na3PO4等；

堿蝕：NaOH；中和：HNO3；

化拋：H3PO4和H2SO4；

電解液：H2SO4、C2H2O4及添加劑；

封孔劑：ODM SEAL R-5。

1.4檢測(cè)方法

膜厚：首先將氧化后的試樣進(jìn)行切片處理，然后通過(guò)蔡司光學(xué)儀器國(guó)際貿(mào)易有限公司提供的AxioImagerAlm型金相顯微鏡測(cè)量膜層厚度。

顯微硬度：采用上海奧龍星迪檢測(cè)設(shè)備有限公司提供的HV-100型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量表面硬度，壓力為100 g，保壓時(shí)間10 s。

形貌：通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察膜層表面納米孔結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)為×100，000。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1電流密度對(duì)氧化膜的影響

為了驗(yàn)證草酸和添加劑對(duì)硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響，首先采用純硫酸電解液作為參考，以電流密度為研究變量，所采用硫酸濃度為170 g/L，電流密度分別為2 A/dm2、3 A/dm2、4 A/dm2、5 A/dm2、6 A/dm2、7 A/dm2，通過(guò)冷卻機(jī)控制氧化時(shí)電解液的溫度在（9±1）℃，電源為單項(xiàng)正脈沖波型。

從圖2中可以看出隨著電流密度的逐漸增大，膜層的厚度也是逐漸的增加，膜層的最大厚度為接近96 μm。

圖2　電流密度-膜厚圖

從圖3中可看出，硬度先增大然后逐漸減小，當(dāng)電流密度為3 A/dm2時(shí)硬度最大，最大值為393 HV。隨后降低的主要原因在于電流密度增大，產(chǎn)生的焦耳熱也增多，對(duì)氧化膜納米孔的溶液加大，膜層反而變得疏松，硬度出現(xiàn)下降。

圖3　電流密度-硬度圖

圖4　時(shí)間-膜厚圖

圖4　時(shí)間-硬度圖

2.2混合添加劑條件下氧化時(shí)間對(duì)硬質(zhì)膜層的影響

參照上述純硫酸電解液的硬質(zhì)氧化結(jié)果，將電流密度設(shè)定為3 A/dm2，添加劑濃度分別為：10 g/L草酸和44 g/L添加劑。

從圖4中可發(fā)現(xiàn)：氧化時(shí)間越長(zhǎng)膜層也就越厚，氧化時(shí)間為20 min時(shí)膜層厚度為16 μm；當(dāng)氧化時(shí)間為60 min時(shí)，膜層厚度達(dá)到63 μm。與圖1相比，當(dāng)氧化時(shí)間為40 min時(shí)，膜層厚度為40 μm，比未添加添加劑的厚度大2 μm，說(shuō)明添加的添加劑能促使膜層的生長(zhǎng)，減緩酸對(duì)膜層的腐蝕。

從時(shí)間-硬度曲線圖5中可看出：添加添加劑后膜層的硬度整體上升較大，不同時(shí)間的膜層硬度均高于400 HV；而未添加添加劑時(shí)，不同電流密度下最高硬度僅393 HV。添加添加劑后硬度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)先升高后降低，其中當(dāng)氧化時(shí)間為40 min時(shí)硬度最高，高達(dá)491 HV。說(shuō)明添加劑的使用使得氧化膜層更加致密。圖6為氧化時(shí)間為40 min時(shí)硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜表面SEM照片，氧化膜納米管結(jié)構(gòu)較均勻致密，納米孔的孔徑約25 nm，納米管管壁厚度約25 nm。

圖6　硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜層表面SEM照片

2.3混合添加劑條件下脈沖波占空比對(duì)硬質(zhì)膜層的影響

占空比指每個(gè)脈沖周期內(nèi)通電時(shí)間占一個(gè)周期的比例。在每個(gè)周期內(nèi)，未通電的過(guò)程有利于焦耳熱的散失，可避免因氧化膜表面溫度過(guò)高而加速氧化膜的溶解。但當(dāng)占空比過(guò)小時(shí)，平均電流密度也就更小，酸對(duì)氧化膜的腐蝕更明顯，使氧化膜的致密性降低，對(duì)氧化膜的硬度、耐磨性反而不利。

圖7　占比空-膜厚圖

從圖7中可發(fā)現(xiàn)：占空比越大，膜層也越厚。說(shuō)明占空比的增加能促使氧化膜的生長(zhǎng)，原因在于平均電流密度隨著占空比的增加而增大，同時(shí)電流密度的增加而使焦耳熱的增多并沒有影響到氧化膜繼續(xù)生長(zhǎng)。

圖8　氧化膜與占空比的關(guān)系曲線

從圖8中可以看出:硬質(zhì)氧化膜隨占空比的增加，先上升后出現(xiàn)略微下降。當(dāng)占空比為80%時(shí)，氧化膜的硬度最高，達(dá)490 HV，說(shuō)明此時(shí)的硬質(zhì)膜層最致密，之后雖然膜層的厚度出現(xiàn)了增加，但過(guò)高的平均電流密度反而加劇了氧化膜納米孔內(nèi)部的溶解，使得氧化膜的致密性下降。

3　結(jié)論

從氧化膜厚度及硬度數(shù)值上看出，草酸與添加劑促進(jìn)氧化膜厚度的增加，且使得氧化膜更加致密，氧化膜的硬度得到了提高。氧化時(shí)間的延長(zhǎng)、電流密度的增加及占空比的增大均能促使膜層加厚，但硬度卻有一個(gè)最佳值。最佳工藝參數(shù)為：10 g/L草酸和44 g/L添加劑，電流密度為3 A/dm2，氧化時(shí)間為40 min，占空比為80%。在該條件下得到的氧化膜厚度為40 μm，硬度為490 HV，氧化膜表面納米孔均勻致密。

參考文獻(xiàn)：

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[7]王弟珍.鋁合金交流硬質(zhì)陽(yáng)極氧化技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].涂裝與電鍍，2008，（2）:23-26.

Study of Hard Anodizing of 5052 Aluminum Alloy

CHEN Liang，LIAO Chong-chong，LIU Chen-cen，XIONG Xiong，WANG Qian
（BYD Company Ltd., Huizhou, Guangdong 516000, China）

Abstract：The base electricity of experiment is sulfuric acid. Oxalate and additive are added into electrolyte. Optimizing power parameter and the concentration of additive to reach the best parameter that 10 g/L oxalate, 44 g/L additive, current density was 3 A/dm2, time of anodizing was 40 min, duty ratio was 80%. The thickness of oxidization film was 40 μm. The hardness of oxidization film was 490 HV. The structure of nano-hole was very uniform and dense.

Keywords：hard anodizing; 5052 aluminum alloy; additive

作者簡(jiǎn)介：陳梁（1976-）男，遼寧人，高級(jí)工程師，主要從事表面處理的研究。E-mail:chen.liang3@byd.com。

文章編號(hào)：1006-4184（2016）3-0038-04

修回日期：2015-09-29