鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極化影響因素解析

曲延龍

（哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極化影響因素解析

曲延龍

（哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 黑龍江哈爾濱 150066）

針對(duì)鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝在我國(guó)航天航空事業(yè)中的廣泛應(yīng)用，尤其本身獨(dú)有的高硬度、強(qiáng)耐磨性、電絕緣性好和良好的結(jié)合力等特征在許多航空領(lǐng)域達(dá)到廣泛的應(yīng)用，本文基于生產(chǎn)實(shí)際并結(jié)合理論數(shù)據(jù)分析，簡(jiǎn)單闡述了影響硬質(zhì)陽極化的諸多因素，旨在進(jìn)一步提高硬質(zhì)陽極化膜層性能指標(biāo)。

鋁及鋁合金；硬質(zhì)陽極化；零件；硬度

1 前言

鋁及鋁合金的硬質(zhì)陽極化又稱厚膜陽極化，厚度可達(dá)100～200μm，呈灰色或黑灰色。鋁合金的硬質(zhì)陽極化配方及工藝條件為：

硫酸：（H2SO4）250g/L～300g/L；

溫度：-2～-6℃；

電流密度：2.5～5A/dm2。

鋁合金經(jīng)硬質(zhì)陽極化處理后除獲得厚膜外，膜層還具有硬度高、耐磨性好、等一系列特殊性能，因此在航空工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

1.1 硬度和耐磨性

經(jīng)硬質(zhì)陽極化處理的鋁合金零件，具有很高的硬度（作為硬膜層其顯微硬度Hv至少大于250）和耐磨性。其硬度值隨合金中合金元素含量（特別是銅）的升高而下降。由于膜層具有大量的微小孔隙，可吸附各種潤(rùn)滑劑，使氧化膜的耐磨性又有提高，其耐磨性比氰化鋼還要好。

1.2 耐蝕性

一般情況下，鋁合金經(jīng)硬陽極化后耐蝕性優(yōu)于普通陽極化。硬質(zhì)陽極化膜在海洋大氣、鹽水噴霧、潮濕箱試驗(yàn)及在一般工業(yè)大氣中均表現(xiàn)出良好的耐蝕性能，如可耐數(shù)千小時(shí)的鹽霧試驗(yàn)。用LY-12鋁合金制造的WP-6發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片，原工藝采用鉻酸陽極化，在強(qiáng)氣沖刷下極易引起晶間腐蝕，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致葉片斷裂，改用硬質(zhì)陽極化后問題便得到了解決。

2 硬質(zhì)陽極化膜的形成條件

在硫酸電解液中進(jìn)行鋁臺(tái)金的硬質(zhì)陽極化的機(jī)理，與普通硫酸陽極化一樣，也是在兩種相矛盾的過程中進(jìn)行的，即電化學(xué)反應(yīng)生成氧化膜與氧化膜的化學(xué)溶解的過程，不同的是硬陽極化要取得較厚的硬膜必須在較低的溫度下進(jìn)行陽極化，以降低氧化膜的溶解速度。氧化溫度的高低對(duì)氧化膜的生成和加厚起決定作用。因此膜層電阻較大，這將直接影響電流密度和氧化作用。所以在進(jìn)行硬質(zhì)陽極化時(shí)，必須采取冷凍設(shè)備強(qiáng)制降溫和攬拌電解液的方法，才能保證電解液正常工作。

3 硬質(zhì)陽極飯化膜形成特點(diǎn)

研究硬質(zhì)氧化膜成長(zhǎng)過程無疑與普通陽極化一樣，仍可以通過對(duì)膜層生長(zhǎng)的電壓-時(shí)間曲線進(jìn)行分析。圖1描述了普通陽極化與硬質(zhì)陽極化的電壓-時(shí)間曲線，以便于比較及分析硬膜的成長(zhǎng)過程。

圖1 普通陽極化（虛線）與硬質(zhì)陽極化（實(shí)線）的電壓-時(shí)間關(guān)系曲線示意圖

由圖1可見，氧化膜生長(zhǎng)的最初階段，即ab與bc兩段都表示無孔層的生成及多孔層出現(xiàn)，其規(guī)律是一致的，所不同的只是硬膜的形成電壓b＇點(diǎn)較高，表示氧化電壓高，說明多孔層在加厚時(shí)孔隙率不大，隨著膜層加厚，電阻增大較快，因此電壓也明顯上升。cd段的時(shí)間越長(zhǎng)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間也越長(zhǎng)，膜層就越厚。de段硬質(zhì)陽極化時(shí)，由于膜層較厚，電壓升至一定值后，使得電阻增加，電壓又升高，在較高的電壓作用下，膜孔內(nèi)產(chǎn)生熱量增加，引起氧的氣體放電，出現(xiàn)火花，破壞了膜層。因此正常的氧化時(shí)間應(yīng)在cd段結(jié)束，才不致影響氧化膜的質(zhì)量，而普通氧化，膜層較薄，不會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

4 影響硬膜成長(zhǎng)及性質(zhì)的因素

4.1 硫酸濃度的影響

用硫酸電解液進(jìn)行鋁的硬質(zhì)陽極化時(shí)，可用10～30%的濃度范圍。濃度較低時(shí)，氧化膜成長(zhǎng)率高，膜較硬，純鋁更明顯。但是對(duì)于含銅最較高的鋁合金（如LY-12），銅常以CuAl2金屬間化合物形式存在，它在氧化時(shí)溶解較快，易燒毀零件，故這類鋁合金不適用低濃度的電解液，同時(shí)為維持龜解液有合適的導(dǎo)電性，保證各類鋁合金的陽極化，一般還是采用20%左右的硫酸濃度為多。

4.2 氧化溫度的影響

隨著氧化溫度的提高，到達(dá)極限氧化時(shí)間推遲，對(duì)取得厚膜有利，但膜的硬度明顯下降。由于氧化溫度升高，膜的溶解速度加快，所以氧化膜成長(zhǎng)率下降。因此要從各方面綜合考慮，合適的氧化溫度要視電解液濃度、陽極電流密度和合金材料而定，一般在-5～10℃之間氧化效果較好，溫度太低膜硬而變脆。為保證在該溫度范圍內(nèi)正常陽極化，必須備有冷凍設(shè)備及有效的攪拌措施。

4.3 陽極電流密度的影響

在一定溫度及一定濃度的電解液中，隨著陽極電流密度的升高，達(dá)到極限氧化時(shí)間縮短，允許通過的電量減少，對(duì)形成厚膜不利，但膜成長(zhǎng)率卻有所增加。說明陽極電流密度對(duì)形成厚膜及成長(zhǎng)率有相反的影響。雖然隨電流密度的增加，膜成長(zhǎng)率有所增加，但在太大的氧化電流下，將產(chǎn)生大量的焦耳熱，使膜層硬度和耐磨性下降。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中電流密度控制在2～5A/dm2之間。

4.4 合金成分的影晌

銅是影響硬氧化膜質(zhì)量的主要合金成分，含銅鋁合金具有較高的機(jī)械性能，在工業(yè)上獲得越來越廣泛的應(yīng)用，如LD3、LD5、LD10、LD12等工業(yè)合金，這些合金中銅含量在2～7%范圍內(nèi)變動(dòng)。合金中的一系列金屬化合物，特別是CuAl2的存在，將對(duì)研究這類鋁合金的氧化膜形成和增長(zhǎng)的機(jī)理，產(chǎn)生很大的困難。因此，為了在含銅鋁合金上獲得物理-化學(xué)性能和機(jī)械性能良好的硬陽極化膜，應(yīng)采用新型的電解液或改進(jìn)電源的方法加以改善。

5 結(jié)束語

在實(shí)際工作中我們發(fā)現(xiàn)，陽極氧化前的前處理工序?qū)﹃枠O化后的膜層質(zhì)量控制也起到相當(dāng)大的作用，如除油不徹底，零件陽極化后膜層必然發(fā)花、黑點(diǎn)和顏色不一致，溫度控制不得當(dāng)，不同槽的零件可能顯現(xiàn)出顏色差別相當(dāng)大，所以，基于表面處理工種的獨(dú)特性、不可間斷性，所以我們從事表面處理專業(yè)人員必須嚴(yán)格按工藝執(zhí)行，嚴(yán)格控制中間過程，只有這樣才能獲得滿意的膜層質(zhì)量，才能使生產(chǎn)效率得到大大提高。

[1]電鍍工藝學(xué).北京化學(xué)工業(yè)出版社.

[2]鋁合金鉻酸陽極化工藝研究.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004.

[3]鋁合金鉻酸陽極化工藝改進(jìn).無機(jī)材料學(xué)報(bào)，2004，19（6）：128.

TG146.21

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2015-12-25