鋁合金陽極氧化膜層耐蝕性

◎安靜

鋁合金陽極氧化膜層耐蝕性

◎安靜

本文論述了陽極氧化成膜的基本原理，對比分析了常用的三種陽極氧化工藝的優(yōu)缺點，并對如何提高陽極氧化膜的耐蝕性進(jìn)行了深入的分析。

鋁合金材料以比重小，機(jī)械強(qiáng)度較高等特性，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，尤其是在航空工業(yè)中用量越來越大。但是，由于鋁的自然氧化膜較薄，一般只有0.01～0.015μm，不均勻和不連續(xù)，尚不能作為可靠的防護(hù)層，遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)發(fā)展的要求。因此，為了提高鋁合金的耐蝕性，就必須對鋁合金進(jìn)行表面處理，常用的鋁合金表面處理有陽極化、涂漆、電鍍，目前常用的鋁合金陽極化有鉻酸陽極化、硫酸陽極化和硼酸-硫酸陽極化。

下面，我們通過論述陽極氧化膜的形成機(jī)理，來分析影響陽極氧化膜耐蝕性的諸多因素。

陽極氧化膜的生成基理

陽極氧化的電極反應(yīng)。如圖1所示，在電解液中，鋁制件為陽極，鉛板為陰極，通電后在鋁表面生成氧化膜（Al2O3），這個過程稱為陽極氧化。

陽極氧化膜層的生長過程。為保證陽極氧化電極反應(yīng)正常進(jìn)行，只有當(dāng)氧化膜的生成速度大于氧化膜的溶解速度時，氧化膜才能生長、加厚，其整個陽極氧化的電壓—時間曲線大致可以分成三段（如圖2所示）。

影響陽極氧化膜質(zhì)量的各種因素

陽極化時工藝參數(shù)的影響

溫度的影響。陽極化槽液溫度是決定陽極氧化膜質(zhì)量的主要因素。因為溫度越高，氧化膜的化學(xué)溶解作用越強(qiáng)，當(dāng)溫度超過一定值后，溶解作用超過氧化作用，將無法繼續(xù)氧化，極易導(dǎo)致過腐蝕現(xiàn)象使氧化膜疏松起粉。

氧化時間的影響。氧化時間與溶液溫度有很大關(guān)系，溫度低時允許氧化的時間可延長，溫度高時相應(yīng)要縮短時間。在一定條件下適當(dāng)?shù)难娱L氧化時間，能使氧化膜充分生成，獲得一個較厚的氧化膜，膜層的抗蝕性也相應(yīng)提高。但不能只用延長時間的方法來加厚膜層，因為氧化時間過長，反應(yīng)生成的熱就會使電解液溫度升高，加速對膜層的溶解，膜層反而變薄，氧化膜也會疏松起粉，耐蝕性也會降低。

電壓的影響。實踐證明，陽極氧化時電流密度與氧化膜的生成關(guān)系甚大，在其它條件不變的情況下，適當(dāng)?shù)奶岣唠妷?，電流密度隨之增加，氧化膜生成加快，可獲得一個致密較厚的氧化膜，增加了膜層的耐蝕性。但是，如果電壓過高，氧化時局部溫升顯著，加速了氧化膜的溶解，成膜速度反而下降，也容易燒蝕零件，同時時間太短，電壓過高會使膜的彈性降低。如果電壓太低，電流密度隨之減小，氧化膜的生成速度太慢，生成的氧化膜太薄，顏色也不正常，抗蝕能力也會下降。

溶液中雜質(zhì)的影響

陽極氧化溶液中最常見的有害雜質(zhì)是Cl-、Cu2+、Al3+等。適當(dāng)?shù)腁l3+對氧化膜的形成有一定的好處，但它的含量不能太高，否則電阻太大，導(dǎo)電能力下降，氧化膜的生成速度也隨之下降。Cu2+含量過高，主要影響氧化膜的色澤、透明度和抗蝕性。Cl-含量過高，氧化膜易產(chǎn)生點狀的腐蝕砂眼。

封閉槽中各種因素的影響

由于陽極化膜的多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)吸附性能，表面容易被污染。因此，經(jīng)陽極化后的鋁合金一般均需進(jìn)行封閉。

氧化與封閉間零件清潔度的影響。氧化膜在進(jìn)行封閉處理之前，必須保證表面清潔。因為鋁合金陽極化膜層是一層多孔的膜層，其吸附能力很強(qiáng)，如用手摸后，會在膜層上留下手印，因此氧化后的零件不能在水中或空氣中停留時間太長，以免有灰塵及雜質(zhì)附著在膜層表面影響膜層封閉質(zhì)量。

封閉液溫度時間的影響。在溶液中的封閉過程是由兩部分組成。①對重鉻酸根及鉻酸根的吸附。②氧化膜的水合作用。上述兩部分反應(yīng)只有在一定時間以后才能完成，封閉速度與氧化膜本身的厚度孔隙率及封閉介質(zhì)有關(guān)。

封閉槽PH值和溶液雜質(zhì)的影響。PH值偏高或過低都會加速封閉溶液對氧化膜的溶解，影響氧化膜的封閉，使封閉質(zhì)量下降。因此，封閉溶液中的PH值必須控制在合適的范圍。

當(dāng)封閉溶液中含有SiO32-時，將吸附在氧化膜上形成硅鋁酸鹽，從而阻礙Cr2O7

2-或CrO42-被氧化膜所吸附，使膜層發(fā)白，嚴(yán)重影響膜層的耐蝕性。此外，封閉溶液中Cl-過多，也將對氧化膜起腐蝕破壞作用。

影響氧化膜質(zhì)量的其它因素

基體合金成份的影響。一般來說，純鋁或包鋁材料獲得的氧化膜比鋁合金上得到的氧化膜厚，氧化膜防護(hù)性能也好。當(dāng)合金中存在不能生成氧化膜的雜質(zhì)時，所獲得的氧化膜抗蝕性能較差。

預(yù)處理和操作方式的影響。在陽極化處理之前必須進(jìn)行預(yù)處理，以清除鋁材表面上的雜質(zhì)、標(biāo)記和油污。否則，就會影響氧化膜的質(zhì)量。預(yù)處理一般包括除油、酸洗、水洗等工序。經(jīng)過上述處理之后，在陽極化之前就可獲得一個新鮮、潔凈并且水膜連續(xù)的鋁合金基體，為得到一個質(zhì)量良好的氧化膜做好了表面準(zhǔn)備。

目前使用的幾種陽極化工藝分析

硫酸陽極化。普通硫酸陽極氧化可獲得0.5～20um，吸附性較好的膜層，適用于一般防護(hù)或作為油漆涂層的粘結(jié)底層（如飛機(jī)外蒙皮等）。硫酸陽極氧化膜具有較高的耐蝕性，但對基體材料的疲勞性能影響較大，并且不適用于點焊件、鉚接組合件以及其它會滯留電解液的零件。

鉻酸陽極化。鉻酸陽極氧化膜厚度大約為2～5um。膜層致密、質(zhì)軟、彈性好，適合作為油漆涂層的粘結(jié)底層。鉻酸陽極氧化對材料的疲勞強(qiáng)度影響較小，此外，鉻酸陽極氧化還可用于檢查材料的冶金缺陷或機(jī)加過程中的過熱等缺陷。

硼酸-硫酸陽極化。硼酸-硫酸陽極氧化膜層除了具有鉻酸陽極化膜層的優(yōu)點以外，還具有良好的遮蓋能力、槽液處理方便、對環(huán)境污染小，節(jié)約能源等優(yōu)點。

綜上所述，硫酸陽極化膜層具有強(qiáng)吸附能力、較高的硬度、良好的耐磨性和抗蝕性能，膜層無色透明，極易染色。鉻酸氧化

膜比硫酸氧化膜要薄得多，氧化膜致密，與涂層的附著性好。鉻酸陽極氧化，無論溶液成本或是電能消耗都比硫酸陽極氧化貴，并且會造成環(huán)境污染，使用上受到一定的限制。

硼酸-硫酸陽極氧化膜耐蝕性比硫酸陽極化、鉻酸陽極化好，同時對環(huán)境污染小、節(jié)約能源。對于鋁合金基材，硫酸陽極化明顯降低材料的疲勞極限，鉻酸陽極化使材料的疲勞極限下降，而硼酸-硫酸陽極化不降低材料的疲勞極限。

（作者單位：中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司鈑金44廠）