LED用Al-Mg-Si系鋁合金陽極氧化工藝研究

彭小蘭，周亞民

(東莞理工學院電子工程學院，廣東 東莞 523808)

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LED用Al-Mg-Si系鋁合金陽極氧化工藝研究

彭小蘭，周亞民

(東莞理工學院電子工程學院，廣東 東莞 523808)

摘要：在LED用Al-Mg-Si系鋁合金表面制備陽極氧化膜，討論工藝參數(shù)對膜層厚度和硬度和耐腐蝕性的影響.得到工藝優(yōu)化參數(shù)如下: 硫酸濃度為120g/L，復合添加劑用量為20g/L，溶液溫度20 ℃，直流電壓為21V,氧化時間40 min.優(yōu)化條件下得到的陽極氧化膜厚度為37μm，耐腐蝕性能指標為182s,硬度為379HV.

關鍵詞：Al-Mg-Si系鋁合金；陽極氧化膜；厚度；硬度；耐腐蝕性能

Al-Mg-Si系鋁合金具有良好的加工性能、導熱性能和力學性能，廣泛應用于電腦、LED等器件上作為散熱材料[1-4].隨著LED燈廣泛使用，LED用鋁合金材料的表面處理成為產(chǎn)品品質的關鍵，一般采用陽極氧化處理來提高鋁合金表面的耐蝕性和裝飾性[5-12].鉻酸電解液曾是鋁合金陽極氧化工藝中常用的電解液，由于六價鉻毒性大，污染環(huán)境，現(xiàn)已不再使用[13,14].傳統(tǒng)的草酸溶液陽極氧化法需要高電壓，一般在特殊條件下使用[15].硫酸陽極氧化法是適合工業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的鋁合金陽極氧化方法[16，17].本文以硫酸電解液作為鋁合金陽極氧化溶液，研究氧化電壓、添加劑、溶液溫度和氧化時間等工藝參數(shù)對鋁合金陽極氧化膜性能的影響.

1材料、流程與方法

1.1原材料

實驗用Al-Mg-Si系鋁合金化學成分如表1所示.

表1　Al-Mg-Si系鋁合金化學成分(質量分數(shù)，%)

1.2工藝流程

鋁合金→化學除油→水洗→堿洗→蒸餾水沖洗→酸洗→蒸餾水沖洗→裝夾→硬質陽極氧化→水洗→封閉→干燥

1.3化學除油溶液組成

NaOH 11g/L

Na2CO337g/L

Na3PO421g/L

十二烷基硫酸鈉0.2g/L

除油工序的溶液溫度控制在65～85 ℃之間，時間一般控制在10s左右.鋁合金經(jīng)過除油工序后，水洗鋁合金，其表面無水成股流下，水膜均勻覆蓋在鋁合金表面.

1.4陽極氧化電解液組成

硫酸120g/L，復合添加劑(草酸∶檸檬酸∶硫酸鎳∶硫酸鈰∶硫酸鋁質量比為3∶1∶2∶1∶3)1.2g/L～25g/L.

1.5測試方法

采用HVS-1000Z型顯微硬度儀測試氧化膜顯微維氏硬度，平行試樣5 個，每個試樣取8 個均布測試點測量顯微硬度，取平均值整數(shù)值.

采用金相顯微鏡法測定氧化膜的厚度，平行試樣5個，在每個平行試樣7 個均布測試點測量膜厚，取平均值整數(shù)值.

采用點滴實驗表征氧化膜耐腐蝕性，點滴液的組成為：重鉻酸鉀 6g，濃鹽酸50 mL，蒸餾水150mL.在干燥的陽極氧化膜樣品表面滴加腐蝕溶液，同時用秒表記錄時間，直到陽極氧化膜變色為止，平行試樣5個，在每個平行試樣7 個均布測試點測量，取平均值的整數(shù)值.

2結果與分析

2.1交流電和直流電對鋁合金陽極氧化膜質量的影響

表2　交流電和直流電對鋁合金陽極氧化膜質量的影響

氧化電壓為16V，硫酸濃度為120 g /L，添加劑含量為10 g/L，分別在交流和直流條件下氧化12～27min，各條件下生成的陽極氧化膜的膜厚、耐腐蝕性和硬度等性能指標的數(shù)值見表2.

從表2 可以得出，在相同的氧化時間里直流電生成的氧化膜厚度大于交流電生成的氧化膜，而且直流電下生成的氧化膜耐腐蝕性比交流電的生成的氧化膜的耐腐蝕性能好.直流電下生成的氧化膜的硬度也較高，因此鋁合金選擇用直流電進行陽極氧化.

2.2添加劑對氧化膜質量的影響

在硫酸體系中對鋁合金進行陽極氧化，硫酸溶液能夠溶解氧化膜，復合添加劑中的硫酸鋁和硫酸鎳能夠有效降低陽極氧化膜的溶解速度，防止膜層過度溶解，提高氧化膜的硬度和耐腐蝕性.草酸和檸檬酸等有機酸在鋁合金陽極氧化表面膜上發(fā)生物理或化學吸附，對電解液的在陽極氧化膜中傳質產(chǎn)生一定的隔離作用，緩解陽極氧化膜相局部的電流過于集中的情況，使得電流在鋁合金表面的分布更加均勻，減少膜層局部過熱發(fā)生“燒蝕”現(xiàn)象，有效改善膜層質量.

電解液硫酸濃度為120 g /L ，改變添加劑含量，在氧化電壓為16 V直流條件下氧化30min，表3為各條件下生成的陽極氧化膜的膜厚、耐腐蝕性和硬度等性能指標的數(shù)值.

表3　添加劑對鋁合金陽極氧化膜質量的影響

添加劑含量增加可以顯著改善膜層性能，當添加劑含量增加至20 g /L 時，陽極氧化膜厚31/μm，膜層硬度達到343HV，當添加劑含量超過20 g/L時，對膜層硬度的改善效果不明顯，優(yōu)化的復合添加劑用量為為20 g/L.

2.3溶液溫度對陽極氧化膜表面質量的影響

硫酸濃度為120 g /L ，添加劑含量20 g/L，在不同電解液溫度下采用直流氧化電壓16V氧化30min.表4為各條件下生成的陽極氧化膜的膜厚、耐腐蝕性和硬度等性能指標的數(shù)值.

表4　陽極氧化溶液溫度對鋁合金陽極氧化膜質量的影響

從表4數(shù)據(jù)可知，鋁合金陽極氧化電解液的溫度對陽極氧化膜性能有較大的影響.溶液溫度高，陽極氧化膜的溶解速率增大，從而使鋁合金表面形成的氧化膜結構較疏松，硬度降低.溶液溫度過低，鋁合金表面陽極氧化膜層壓力較大，易碎裂.優(yōu)化的陽極氧化溶液溫度為20℃時，獲得的陽極氧化膜性能好.

2.4氧化電壓對氧化膜質量的影響

硫酸濃度為120 g /L 的工藝條件下，添加劑含量20 g/L，溶液溫度控制為20℃，采用不同直流氧化電壓對鋁合金陽極氧化處理30min.表5為各條件下生成的陽極氧化膜的膜厚、耐腐蝕性和硬度等性能指標的數(shù)值.

表5　氧化電壓對鋁合金陽極氧化膜質量的影響

由表5 可知，隨著陽極氧化電壓升高，鋁合金陽極氧化生成的膜增加，氧化膜的抗腐蝕能力增大、硬度也增強.在鋁合金陽極氧化過程中，同時進行的陽極氧化膜的形成和膜的溶解兩個競爭反應.隨著氧化電壓升高，膜的形成反應速度加快、溶解速度減慢，這就使得形成的氧化膜的膜厚增加，硬度相應增加，使鋁合金陽極氧化膜的耐腐蝕性能也增強.當氧化電壓為24 V 的時候，鋁合金陽極氧化膜表面有時會出現(xiàn)“燒損”現(xiàn)象，形成的氧化膜結構被破壞，優(yōu)化的陽極氧化膜的直流電壓為21 V.

2.5氧化時間對氧化膜質量的影響

在氧化電壓為21 V，硫酸濃度為120 g /L ，添加劑含量20 g/L的工藝條件下對鋁合金陽極氧化10～100min.表6為各條件下生成的陽極氧化膜的膜厚、耐腐蝕性和硬度等性能指標的數(shù)值.

表6　氧化時間對鋁合金陽極氧化膜質量的影響

由表6 可知，在一定氧化時間內(nèi)，鋁合金陽極氧化膜的厚度隨氧化時間的增加而增大，氧化膜的耐腐蝕性也增強且硬度增加.鋁合金陽極氧化反應過程中，電化學反應生成氧化膜速度大于氧化膜溶解速度，隨著氧化時間增加，鋁合金表面氧化膜厚度就越厚，逐漸形成致密的氧化膜，抗腐蝕性增強，硬度也隨之增加.氧化時間過長，在氧化膜增厚到一定程度時，氧化膜層的厚度增加趨緩，氧化膜的生長速率降低.其原因是由于膜層厚度增加，電阻加大，導電率降低，導致成膜速率相應下降; 而電解液溫度顯著升高，氧化膜溶解趨勢增大，膜層局部被擊穿，這些部位首先被溶解，形成孔隙，無孔層變成了多孔隙層，膜層開始變薄，硬度也隨之降低，氧化膜致密性下降，耐腐蝕性降低，優(yōu)化的陽極氧化時間為40 min.

3結論

(1)采用以硫酸為主要組分，添加復合添加劑(草酸鈉、檸檬鈉、硫酸鎳、硫酸鈰、硫酸鋁)的電解液體系，能夠通過常規(guī)直流電源在2A12 鋁合金表面制備出外觀一致、厚度均勻且具有耐腐蝕性能的陽極氧化膜層；

(2)工藝優(yōu)化后的參數(shù)為: 硫酸濃度為120g/L，復合添加劑用量為20g/L，溶液溫度20 ℃，直流電壓為21V,氧化時間40 min；

(3)采用優(yōu)化的工藝得到的鋁合金陽極氧化膜厚度為37 μm，耐腐蝕性為182s，硬度為379HV.

參考文獻：

[1] Nageswara rao P, Dharmendra S,Jayaganthan R. Effect of post cryorolling treatments on microstructural and mechanical behaviour of ultrafine grained Al-Mg-Si alloy[J].Journal of Materials Science & Technology,2014,(10):998-1005.

[2] 羅淞,林高用,曾菊花,等．硬質相對6061鋁合金異型散熱型材表面質量的影響[J].中國有色金屬學報,2011,(7):1521-1526.

[3] 晏建宇,王雙喜,劉高山,等．大功率LED散熱技術研究進展[J].照明工程學報,2013,(5):84-89.

[4] 陳海路,胡書春,王男,等．大功率LED器件散熱技術與散熱材料研究進展 [J]. 功能材料,2013,(z1):15-20.

[5] 李志宏,苗景國,沈鈺,等.鋁合金陽極氧化工藝最新研究進展[J].輕合金加工技術,2015,(10):16-19.

[6] 錢建才,鄒洪慶,許斌,等.電解液對2A12鋁合金硬質陽極氧化膜層性能的影響[J].表面技術,2015,(11):40-45.

[7] 王曉燕,翟秀靜,張廷安,等．電解電壓對陽極氧化鋁膜微觀形貌的影響[J].材料保護,2014,(5):14-18.

[8] 王雨順,周俊鳳,丁毅,等． 鋁合金兩種陽極氧化工藝的氧化膜性能對比[J].輕合金加工技術,2010,(6):50-53.

[9] 李文文,丁良生,艾云龍,等.鋁合金陽極氧化膜的耐蝕性能[J].材料保護，2015,(3):46-51.

[10] 王英才,陳歲元,劉平平． LC4 鋁合金表面硬質陽極氧化膜制備及表征[J].表面技術,2014,(4):37-42.

[11] 李明祥,鄒玉潔,孫寶龍,等． 鋁合金陽極氧化技術發(fā)展[J].電鍍與精飾,2014,(8):41-46.

[12] 黃元盛,陳煥明． 6063 鋁合金的大電流密度間歇式陽極氧化[J].金屬熱處理,2014,(1):117-119.

[13] 陳小麗,麻彥龍,黃偉九,等.環(huán)保型鋁合金陽極氧化表面處理研究進展[J].材料導報,2015,(4):107-112.

[14] 姬振江,朱立群,劉慧叢,等.LY12CZ鋁合金的代鉻酸快速陽極氧化技術[J].北京航空航天大學學報,2014,(5):919-924.

[15] 劉莉,張鯤,熊輝輝,等.陽極氧化工藝對6061鋁合金草酸氧化膜耐磨耐蝕性的影響[J].材料熱處理學報,2015,(11):225-232.

[16] 劉建華,高慶娜,李英東,等.5A06和2A12鋁合金在硫酸-己二酸中陽極氧化行為及膜層電化學性能[J].北京航空航天大學學報,2015,(5):757-763.

[17] 王加余,李澄,尹成勇,等． 硼-硫酸-草酸電解液降壓陽極氧化疏孔膜層制備及表征[J].腐蝕科學與防護技術,2014,(2):154-158.

(責任編校：晴川)

Anodic Oxidation Processing Technology of Al-Mg-Si Aluminum Alloy Used in LED

PENG Xiaolan, ZHOU Yamin

(College of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan Guangdong 523808, China)

Abstract：The anodic oxidation films were prepared on the surface of Al-Mg-Si aluminum alloy used for LED production and the effects of different parameters on the thickness, hardness and corrosion resistance of the films were discussed. The optimized parameters were obtained as follows: the concentration of pSO4 was 120 g /L, the concentration of composite additive was 20 g/L, the solution temperature was 20℃,the voltage of direct current was 21 V, and the oxidation time was 40 minutes. The thickness, corrosion resistance and hardness of the anodic oxidation film under optimum conditions were 37μm,182s and 379 HV, respectively．

Key Words：Al-Mg-Si aluminum alloy; anodic oxide film; thickness; hardness; corrosion resistance

中圖分類號:TG174.4

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0036-03

作者簡介：彭小蘭(1970— )，女，湖南衡陽人，東莞理工學院電子工程學院高級實驗師，碩士.研究方向：材料理化性能分析.

基金項目：東莞市科技重點項目(批準號：2012108101022).

收稿日期：2016-01-23