7050鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝研究

陳文舉

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中723200）

0 引言

鋁及其合金具有質(zhì)輕、延展性好、可塑性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其制品廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車制造等各工業(yè)領(lǐng)域。但其硬度低、耐磨性差，限制了其應(yīng)用范圍的拓寬。而鋁合金經(jīng)硬質(zhì)陽極氧化處理所得到的氧化膜厚、硬度高、耐磨性好，且與基體結(jié)合牢固。因此，鋁合金硬質(zhì)陽極化工藝作為一種能賦與鋁質(zhì)零件特殊功能的有效手段，在鋁合金制品的表面防護(hù)技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用[1-3]。鋁合金硬質(zhì)陽極化就是鋁及其合金在電解液、特定的工藝及外加電流的作用下，在制品（陽極）上形成一層薄而致密氧化膜的過程。主要目的是提高鋁及鋁合金的耐蝕性、耐磨性、耐候性、絕緣性及吸附性等。它既適用于變形鋁合金，也可能用于壓鑄造鋁合金零部件。硬質(zhì)陽極氧化的電解液一般是硫酸溶液以及硫酸添加有機(jī)酸，如草酸、氨基磺酸等。研究表明，影響鋁合金硬質(zhì)陽極化的主要因素為硫酸溶液濃度、溫度、電流密度、時(shí)間。

7050鋁合金在保持較高強(qiáng)度水平下，具有韌性好，疲勞強(qiáng)度高和抗應(yīng)力腐蝕性能好等優(yōu)良綜合性能，另一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是淬透性好，常用于飛機(jī)起落架支撐零件和鉚釘?shù)鹊闹圃?。公司某新研型?hào)7050鋁合金零件（見圖1）要求硬質(zhì)陽極氧化，但缺少成熟的工藝，同時(shí)由于硬質(zhì)陽極化參數(shù)隨設(shè)備及電流的輸出形式的不同而有所變化，國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般只提供推薦工藝參數(shù)。為此，通過工藝試驗(yàn)研究適合本企業(yè)設(shè)備的恒直流法硬質(zhì)陽極化工藝，確定了在7050鋁合金上獲取厚度40 μm～60 μm、硬度≥250 HV的硬質(zhì)氧化膜的最佳電流密度、時(shí)間及溫度等工藝參數(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于某機(jī)型零件的批生產(chǎn)中。

圖17050 鋁合金零件

1 工藝試驗(yàn)

1.1 電源及掛具

1）采用恒直流法，使用江陰市天馬電源制造有限公司KDF500 A/60 V型電源，并用壓縮空氣攪拌；采用氟制冷壓縮機(jī)使溶液的溫度保持在規(guī)定溫度范圍。

2）陽極化掛具。掛具和其它類似的固定夾具應(yīng)用鋁合金或鈦合金制造，如掛具含有非鋁、鈦金屬材料，則應(yīng)對(duì)浸入溶液中的非鋁、鈦金屬材料部分進(jìn)行保護(hù)。使用過的鋁夾具在重新使用之前，必須退去接觸面上的氧化膜。

3）陰極極板。用鉛板作陰極，陰陽極面積比約為2∶1.

1.2 試樣

（1）試樣材料為符合AMS 2350標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)口級(jí)7050鋁合金，其化學(xué)成分見表1，試樣規(guī)格為G100×15 mm，L=15 mm；Ra小于 0.8 μm，見圖 2.

（2）用作膜層厚度、硬度檢驗(yàn)的試樣應(yīng)與零件同槽處理。用于厚度檢測(cè)的試樣不作封閉處理，允許共用。

表17050 鋁合金的化學(xué)成分（wt%）

1.3 硬質(zhì)陽極氧化工藝

1.3.1 溶液組成

硫酸（分析純），310 g/L ～ 330 g/L、Al3+≤20 g/L、Cl-≤0.2 g/L.

1.3.2 工藝流程

陽極化前檢查→裝掛→化學(xué)除油→溫水洗→流動(dòng)冷水洗→出光→流動(dòng)冷水洗→堿腐蝕→溫水洗→流動(dòng)冷水洗→出光→流動(dòng)冷水洗→硬質(zhì)陽極化→流動(dòng)冷水洗→封閉→溫水洗→流動(dòng)冷水洗→干燥→拆卸→檢驗(yàn)。

1.4 性能檢測(cè)

1.4.1 厚度

采用QWCNLS7500型渦流測(cè)厚儀（見圖3）測(cè)量膜層厚度。測(cè)量前校正零點(diǎn)，測(cè)量時(shí)在試樣表面隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)，取其平均值作為膜層厚度。

圖3 厚度測(cè)試

1.4.2 硬度

采用LM300AT全自動(dòng)顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量膜層硬度。測(cè)量硬度壓痕尺寸并計(jì)算出維氏硬度值，試驗(yàn)載荷為50 g，測(cè)量方法按GB/T 4340.1，無特殊要求時(shí)，膜層顯微硬度≥250 HV為合格。

2 氧化溶液的配制及維護(hù)

2.1 溶液配制

（1）使用有軟PVC塑料襯里的槽子，將槽子清洗干凈，最后用配制溶液用水清洗一遍，向槽子內(nèi)加水至總量的一半[4]。

（2）在不斷攪拌的條件下，將計(jì)算量的濃硫酸緩慢加入槽內(nèi)。

（3）加水至所需容積并攪拌均勻。

（4）取樣分析，調(diào)整槽液濃度。

新配槽液時(shí)，允許添加硫酸鋁鉀或鋁屑，調(diào)整鋁離子濃度約為1 g/L.

2.2 溶液的維護(hù)

（1）溶液表面應(yīng)保持無漂浮物、可見殘?jiān)陀臀?。處理前?yīng)檢查槽液分析及工藝控制報(bào)告是否合格，并在有效期內(nèi)；

（2）應(yīng)對(duì)槽液進(jìn)行定期分析和維護(hù)，并做好分析和調(diào)整記錄。硬質(zhì)陽極化槽液應(yīng)至少每年凈化一次，或根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況縮短凈化周期；

（3）對(duì)溶液取樣分析時(shí)，應(yīng)在工藝槽處于工作溫度且攪拌均勻后進(jìn)行，取樣點(diǎn)不得少于5個(gè)；

（4）新配槽或槽液凈化后應(yīng)進(jìn)行全項(xiàng)目分析并作好必須的調(diào)整。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

本研究借用成熟的7A09鋁合金硬質(zhì)陽極化工藝所用恒直流電源設(shè)備及310 g/L～350 g/L的硫酸電解液，故試驗(yàn)不考慮這一因素的影響。試驗(yàn)時(shí)設(shè)定初始電流密度為0.5 A/dm2，15 min內(nèi)將電流密度逐漸升至規(guī)定值，伴有空氣攪拌和冷凍箱恒溫，對(duì)電流密度、氧化時(shí)間、氧化溫度進(jìn)行了正交試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見表2.通過調(diào)整溫度、電流密度和時(shí)間參數(shù)，完成對(duì)試樣的硬質(zhì)陽極化，進(jìn)一步通過檢測(cè)膜層硬度、厚度并保證符合要求。正交試驗(yàn)結(jié)果見圖4、圖5.

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

圖4 試驗(yàn)因素對(duì)膜層厚度的影響

圖5 試驗(yàn)因素對(duì)膜層硬度的影響

分析圖4、圖5可以得出：1）隨著電流密度的升高，膜的成長速度加快，氧化時(shí)間縮短。在膜厚相同的情況下，電流密度大獲得的膜層硬度大。但當(dāng)電流密度超過某一極限時(shí)，因產(chǎn)生熱量大，膜層硬度反而降低；2）硬質(zhì)陽極化時(shí)間一定范圍的延長，盡管可以提高膜層厚度和硬度，但氧化時(shí)間過長，膜層的硬度反而降低；3）隨著溶液溫度的升高，膜層的溶解速度加快，膜層厚度及硬度降低。低溫有利于膜厚及硬度的提高，且低溫狀態(tài)下，氧化膜表面的熱量易于散發(fā)，有利于避免燒損現(xiàn)象產(chǎn)生，但溫度過低，膜層的脆性增大，零件銳邊部位質(zhì)量變差。適合的溫度要視槽液成分、濃度、電流密度及合金成分而定。

通過正交試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)確定：7050鋁合金硬質(zhì)陽極化參數(shù)為初始設(shè)定電流密度0.5 A/dm2，15 min內(nèi)將電流密度逐漸升至2.0 A/dm2～2.3 A/dm2，并保持至氧化結(jié)束，時(shí)間為50 min～60 min，溫度-8℃～-4 ℃，能夠得到膜層厚度 40 μm ～ 60 μm，顯微硬度≥250 HV，外觀質(zhì)量好且顏色接近灰褐色的膜層。按此工藝參數(shù)加工的零件膜層厚度及硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)，外觀見圖6.

圖6 硬質(zhì)陽極化后的零件

4 結(jié)論

（1）在硫酸為介質(zhì)的電解液中，影響鋁合金硬質(zhì)陽極化的主要因素是電解液溫度、電流密度及氧化時(shí)間。

（2）7050鋁合金硬質(zhì)陽極化時(shí)，采用恒直流法使用濃度為310 g/L～330 g/L的硫酸溶液，初始設(shè)定電流密度為0.5 A/dm2，在15 min內(nèi)電流密度逐漸升至2.0 A/dm2～2.3 A/dm2，并保持氧化時(shí)間為50min～60 min，可保證膜層厚度40 μm ～60 μm，顯微硬度≥250 HV.

（3）7050鋁合金硬質(zhì)陽極化時(shí)，增大電流密度雖然會(huì)提高膜層的生成速度，但過高的電流密度會(huì)使膜層的顯微硬度顯著降低。