陽(yáng)極氧化技術(shù)在汽車(chē)鋁合金車(chē)身開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

王清仙，呂玲芳，陳　君

(浙江吉利控股集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228)

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陽(yáng)極氧化技術(shù)在汽車(chē)鋁合金車(chē)身開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

王清仙，呂玲芳，陳君

(浙江吉利控股集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228)

隨著汽車(chē)輕量化要求的不斷提升，汽車(chē)車(chē)身上采用鋁合金材料的比例逐年提高，鋁合金材料的表面處理技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)。陽(yáng)極氧化是一種用于鋁合金材料表面處理的技術(shù)，采用該技術(shù)可以提高鋁合金零件的膠接連接性和耐腐蝕性。系統(tǒng)研究了對(duì)陽(yáng)極氧化工藝在汽車(chē)鋁合金車(chē)身開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用，陽(yáng)極氧化的技術(shù)原理和工藝流程，該工藝在汽車(chē)車(chē)身領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

汽車(chē)車(chē)身；鋁合金；陽(yáng)極氧化

汽車(chē)輕量化在節(jié)能減排中占有重要的地位。試驗(yàn)表明，在其他條件相同的情況下，汽車(chē)每減輕100kg，每百公里燃油消耗將減少0．4～1L，汽車(chē)質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，汽車(chē)燃油量的下降，可使汽車(chē)的廢氣排放得到明顯改善；因此，無(wú)論從汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性角度考慮還是從能源環(huán)保角度來(lái)說(shuō)，汽車(chē)輕量化對(duì)每個(gè)汽車(chē)廠都是重要的目標(biāo)之一。

從材料的特性、成本以及可回收性上考慮，鋁合金是適用于汽車(chē)車(chē)身理想的輕量化材料之一。如奧迪公司生產(chǎn)的全鋁A8高級(jí)轎車(chē)，車(chē)身全部采用鋁合金材料，使得車(chē)身質(zhì)量降低了40%，取得了較好的輕量化效果。

隨著鋁合金材料應(yīng)用的發(fā)展，其表面處理技術(shù)也迅速發(fā)展起來(lái)。采用表面處理技術(shù)可以改善鋁及鋁合金的特性。主要表面處理技術(shù)有陽(yáng)極氧化、化學(xué)氧化、涂層和電鍍等，其中采用陽(yáng)極氧化技術(shù)可以提高鋁合金零件的耐腐蝕性，增強(qiáng)鋁合金零件的粘接性，有利于鋁合金材料在汽車(chē)車(chē)身中更廣泛的應(yīng)用。本文將對(duì)陽(yáng)極氧化工藝在汽車(chē)鋁合金材料應(yīng)用上的作用與工藝流程、注意事項(xiàng)等進(jìn)行系統(tǒng)的論述。

1　陽(yáng)極氧化技術(shù)原理與作用

1.1技術(shù)原理

鋁和鋁合金的表面在空氣中會(huì)自動(dòng)生成一層氧化鋁膜，其具有耐磨、耐蝕的作用。氧化鋁膜非常薄，一般不超過(guò)幾個(gè)納米。通過(guò)進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，可以增加氧化膜的厚度，提高鋁合金零件的耐磨損、耐腐蝕和耐氣候性能。鋁合金的陽(yáng)極氧化技術(shù)原理是將鋁或鋁合金置于相應(yīng)的電解液和特定的工藝條件中，施加陽(yáng)極電壓，使其發(fā)生電解，從而在其表面上形成一層厚度成幾何數(shù)量級(jí)增加的致密的氧化膜。

根據(jù)膜層的厚度和需要實(shí)現(xiàn)的功能的不同，陽(yáng)極氧化的電解液成分一般以硫酸、草酸、鉻酸、混合酸和以磺基有機(jī)酸等為主溶液，電流形式有直流電、交流電以及可實(shí)現(xiàn)特殊功能的脈沖電流。汽車(chē)車(chē)身鋁合金零部件通常都采用直流電進(jìn)行陽(yáng)極氧化，工件接正極，另一電極(可以是鉛板等不易與酸起反應(yīng)的金屬)接負(fù)極。電解槽中的電解液通常以硫酸為主。電解液通電后在電流的作用下發(fā)生水解[1]，在陰極上放出氫氣，即：

2H++2e→H2↑

帶負(fù)電的陰離子向陽(yáng)極移動(dòng)，在陽(yáng)極釋放電子，即：

4OH-→2H2O+2O2-

一部分新生(原子)氧與陽(yáng)極鋁反應(yīng)，生成無(wú)水氧化鋁膜，即：

2Al3++3O2-→Al2O3+熱量

當(dāng)氧化膜的生成速度大于溶解速度時(shí)，氧化膜便生成，并保持一定厚度。在剛開(kāi)始氧化時(shí)，所形成的膜較薄，但極致密，稱(chēng)為阻擋層[2]；隨著化學(xué)溶解的開(kāi)始，在膜上形成無(wú)數(shù)微孔。陽(yáng)極氧化膜層截面如圖1所示。

圖1　陽(yáng)極氧化膜層截面圖

氧化膜的特性如下：1)具有一定的硬度和厚度，提高鋁基體的耐磨性；2)氧化膜作為腐蝕性介質(zhì)的阻擋層，可保護(hù)鋁基體，提高其抗腐蝕能力；3)以氧化鋁成分為主的氧化膜，因氧化鋁是熱的不良導(dǎo)體，使得鋁基體表面能夠承受較高的溫度而不氧化或融化，起到了隔熱層的作用；4)氧化膜的表層一般為多孔層，對(duì)于涂層具有較高的結(jié)合力；5)氧化膜作為電的不良導(dǎo)體，具有電絕緣層作用；6)對(duì)于鋁型材來(lái)說(shuō)，氧化膜可著色，具有裝飾效果。

1.2應(yīng)用

在鋁合金零件經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理后，表面上氧化膜的厚度比在空氣中自發(fā)形成氧化膜的厚度增加了幾何數(shù)量級(jí)，其硬度高，耐腐蝕能力大大增加，而且也使鋁的表面不易受到破壞。

陽(yáng)極氧化工藝應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身零部件上時(shí)，另一個(gè)作用是可以為膠黏劑提供良好的粘接面。由于鋼鋁的力學(xué)性能和熱力學(xué)性能差異很大，鋁合金車(chē)身并不能像傳統(tǒng)鋼板車(chē)身一樣應(yīng)用焊接連接方式，又因?yàn)殇撲X電勢(shì)不同，當(dāng)機(jī)械連接時(shí)，鋁作為鋼的陽(yáng)極會(huì)很快被腐蝕；因此，應(yīng)采用車(chē)身膠接結(jié)構(gòu)來(lái)連接性能差異較大的材料。

陽(yáng)極氧化工藝作為鋁合金結(jié)構(gòu)膠接的前處理工序，為膠接工序提供了一個(gè)持久、穩(wěn)固的表面。由于氧化膜呈現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)，且微孔的活性較高，所以膜層具有很好的吸附性。陽(yáng)極氧化膜與基體金屬的結(jié)合力很強(qiáng)，即使膜層隨基體彎曲到破裂的程度，但仍然與基體金屬保持著良好的結(jié)合。相比而言，未經(jīng)陽(yáng)極氧化的試樣如果暴露在潮濕、腐蝕性的環(huán)境中，會(huì)很容易發(fā)生水化作用，并在表面生成自然氧化膜，這會(huì)使膠接處過(guò)早的失效。陽(yáng)極氧化工藝后的鋁合金零件增強(qiáng)了在膠接工序時(shí)的粘接力。

由于陽(yáng)極氧化工藝可以代替常規(guī)的電泳涂層提升鋁合金的防腐性能，相比針對(duì)整個(gè)白車(chē)身的專(zhuān)業(yè)電泳車(chē)間的高投入，針對(duì)零部件的陽(yáng)極氧化車(chē)間的投入成本要低的多。

2　汽車(chē)車(chē)身零件陽(yáng)極氧化工藝流程

汽車(chē)車(chē)身鋁合金零件的陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線主要組成包括上下料架、各工藝槽及槽面設(shè)施、龍門(mén)行車(chē)、軌道、立柱、給排水系統(tǒng)、氣管路系統(tǒng)、行車(chē)控制系統(tǒng)、槽溫控制系統(tǒng)和通風(fēng)設(shè)施等(見(jiàn)圖2)。陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線的質(zhì)量和自動(dòng)化與檢測(cè)水平?jīng)Q定了鋁合金陽(yáng)極氧化的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

圖2　陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線

汽車(chē)車(chē)身鋁合金零件的陽(yáng)極氧化工藝流程如圖3所示。

圖3　陽(yáng)極氧化工藝流程

機(jī)械拋光預(yù)處理是為了獲得平整、光滑的表面。如果鋁合金零件表面不平整或存在各種磨痕、凹坑、飛邊和劃傷等缺陷，而在氧化前不清理掉，就會(huì)影響氧化膜的性能。

在陽(yáng)極氧化之前進(jìn)行清洗工序是為了除去鋁板或鋁錠原材料加工過(guò)程中附著在樣件表面的潤(rùn)滑劑、油脂和碎屑等雜質(zhì)。附著的潤(rùn)滑劑可以用溶劑如異丙醇(IPA)、丙酮或者變性酒精予以去除。水洗后，用5%的NaOH溶液堿蝕以化學(xué)反應(yīng)除掉油脂，用密度為100～500g/L的硝酸溶液酸洗中和堿液及除去蝕洗后留在表面上的掛灰。每道工序后都要進(jìn)行水洗，以清洗零件表面殘留的液體成分，保證零件表面清潔。

陽(yáng)極氧化槽液為硫酸溶液，外接0～25V的直流電源(電壓可調(diào))進(jìn)行恒電流模式下的陽(yáng)極氧化。硫酸溶液應(yīng)為低鐵型，其鐵離子濃度為50%體積含量的溶液中<75mg/L。整個(gè)陽(yáng)極氧化處理過(guò)程中應(yīng)保證液面能夠完全覆蓋工件。陽(yáng)極氧化結(jié)束后，工件移出前在電解液中的存放時(shí)間應(yīng) ≤15s。鋁合金陽(yáng)極氧化膜厚度約為5～10μm，通過(guò)控制陽(yáng)極氧化的時(shí)間可獲得指定厚度的氧化膜。

為了提高陽(yáng)極氧化膜的耐蝕、電絕緣和耐磨等性能，鋁合金在陽(yáng)極氧化后要進(jìn)行封閉處理。經(jīng)過(guò)封閉處理后表面變得均勻無(wú)孔，形成致密的氧化膜。經(jīng)封閉后的氧化膜不再具有吸附性，可避免吸附有害物質(zhì)而被污染或早期腐蝕，從而提高了陽(yáng)極氧化膜的防污染、抗蝕等性能。

熱水封閉的原理是利用無(wú)定形氧化鋁的水化作用[3]:Al2O3+H2O=Al2O3·H2O。由于生成的水鋁石(Al2O3·H2O)含有結(jié)晶水，體積膨脹而封住微細(xì)孔。封孔溫度為 90～100 ℃，pH值為6～7.5，時(shí)間為15～30min。封閉用水必須是蒸餾水或去離子水，而不能用自來(lái)水，否則會(huì)降低氧化膜的透明度和色澤。

所有鋁合金零件陽(yáng)極氧化處理完后烘烤晾干并單獨(dú)包裝，零件在包裝前必須完全干燥，并且要求單獨(dú)包裝或使用HDPE膜隔開(kāi)放置于干凈密閉的集裝箱里，在運(yùn)輸和裝配前防止被污染。陽(yáng)極氧化成品零件如圖4所示。

圖4　陽(yáng)極氧化成品零件

3　陽(yáng)極氧化工藝的注意事項(xiàng)

采用陽(yáng)極氧化工藝的注意事項(xiàng)如下。

1)在進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理之前，不要用馬克筆在樣件表面進(jìn)行標(biāo)記，因?yàn)殛?yáng)極氧化過(guò)程中的脫脂和腐蝕工序不能將這種油墨完全去除。

2)每一個(gè)螺紋盲孔都要在開(kāi)口端進(jìn)行封堵，以避免其受到堿蝕等過(guò)程的影響，或者造成腐蝕液體的殘留。

3)有機(jī)硅對(duì)膠接非常不利，在零件生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)該避免接觸有機(jī)硅，在生產(chǎn)或者存放陽(yáng)極氧化零件的區(qū)域不允許存放有機(jī)硅和有機(jī)硅制品。由于氣泡膜的制造過(guò)程中使用了硅油，因此，此材料不適宜用來(lái)包裝陽(yáng)極氧化零件。

4)焊接造成的煙氣沉積會(huì)影響陽(yáng)極氧化表面的膠接，因此在生產(chǎn)或者存放陽(yáng)極氧化樣件的區(qū)域不允許進(jìn)行焊接處理。

5)在進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理后，樣件的表面應(yīng)被妥善保護(hù)以防止任何形式的機(jī)械損傷或者污染。經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后不允許任何機(jī)械形式(如銼、切和擴(kuò)孔等)對(duì)樣件的加工。

6)陽(yáng)極氧化膠接面應(yīng)避免與松散的粉塵(如滑石粉)、潤(rùn)滑脂、蠟和其他高黏度的阻隔劑(如肥皂、洗手液等)接觸，因?yàn)檫@些物質(zhì)會(huì)阻止膠黏劑的滲透。

4　結(jié)語(yǔ)

由于鋁合金材料的應(yīng)用在沖壓延展性、連接性和耐腐蝕性等方面存在技術(shù)難點(diǎn)，材料成本也較高，目前大多應(yīng)用在高級(jí)轎車(chē)上，國(guó)內(nèi)主流汽車(chē)車(chē)身基本上采用冷軋鋼板和鍍鋅鋼板。隨著車(chē)身輕量化要求的不斷提升，汽車(chē)車(chē)身上采用鋁合金的比率將逐年提高，鋁合金材料應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)也在不斷研究解決中。采用陽(yáng)極氧化工藝提高了鋁合金零件的膠接連接性、耐腐蝕性，隨著汽車(chē)輕量化材料鋁合金應(yīng)用的發(fā)展，該工藝在汽車(chē)車(chē)身領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

[1] 王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社，2000.

[2] 劉靜安，謝水生.鋁合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開(kāi)發(fā)[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

[3] 朱祖芳.鋁陽(yáng)極氧化膜封孔技術(shù)之進(jìn)展[J].電鍍與涂飾, 2000(19)：32-37.

責(zé)任編輯馬彤

ApplicationofAnodisingTechnologyinDevelopmentofAutomobileAluminumAlloyBody

WANGQingxian，LYULingfang,CHENJun

(ZhejiangGeelyHoldingGroupCo.,Ltd.,Hangzhou311228,China)

Withtheimprovingofthelightweightvehicle,theproportionofaluminiumalloyusedatcarbodywillincreasegradually.Thetechnicaldifficultyofaluminiumalloyisbeingresearched.Anodisingisanexcellentsurfacetreatmenttechnologyforaluminiumalloytofacilitatetheuseofstructuralbondingandprotectpartsfromcorrosion.Presenttheeffectandprocessoftheanodisingforaluminiumalloyusedattheautomobilebodystructure.

carbody，aluminiumalloy，anodising

U466B

王清仙(1984-)，女，工程師，碩士，主要從事鋁合金車(chē)身開(kāi)發(fā)等方面的研究。

2016-05-18