鋁合金硫酸陽極化耐蝕性試驗(yàn)失敗原因分析

趙永崗，呂紅軍，曾小莉

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司承攬了美普惠公司低壓壓氣機(jī)Ⅰ級環(huán)等 10余個(gè)零件的加工訂單，由于該零件為鋁合金材料，為了提高鋁合金零件的防腐蝕能力，按美航空宇航標(biāo)準(zhǔn)AMS2471采用了硫酸陽極化工藝。為了避免傳統(tǒng)封閉液的不利影響，美普惠公司硫酸陽極化使用一種無毒、無污染的METALAST TCP-HF環(huán)保型封閉液進(jìn)行封閉。該種封閉液主要成分為Cr3+鹽，無毒、且操作溫度低，便于維護(hù)。美普惠公司要求每年需要進(jìn)行一次耐蝕性對比試驗(yàn)，即試片經(jīng)陽極氧化封閉后，沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司與美普惠實(shí)驗(yàn)室同時(shí)進(jìn)行336 h的中性鹽霧試驗(yàn)，若試驗(yàn)均通過，則允許繼續(xù)加工零件，否則需要分析試驗(yàn)失敗的原因，直到試驗(yàn)合格為止。

由于2016年底送往美國普惠公司試驗(yàn)室的耐蝕性對比試驗(yàn)失敗，導(dǎo)致公司無法繼續(xù)交付零件，因此急需對試驗(yàn)失敗的原因進(jìn)行徹底分析，以盡快恢復(fù)生產(chǎn)線。在硫酸陽極化工藝中，試片狀態(tài)差、氧化液溫度高、陽極電流密度低、氧化時(shí)間過長、硫酸濃度過高、氧化液中重金屬雜質(zhì)多都會導(dǎo)致氧化膜耐蝕性差。因此文中從試片、陽極化工藝參數(shù)、槽液中雜質(zhì)等方面分析了鋁合金硫酸陽極化耐蝕性試驗(yàn)失敗的原因，并制定了有效措施確保耐蝕性試驗(yàn)合格[1-16]。

1 試驗(yàn)

1.1 硫酸陽極化工藝流程

硫酸陽極化的工藝流程為：來件檢查→有機(jī)溶劑除油→水基清洗→冷水洗→水膜檢查→堿腐蝕→熱水洗→冷水洗→光澤→冷水洗→水膜檢查→硫酸陽極化→冷水洗→METALAST TCP-HF填充→冷水洗→熱水洗→吹干。硫酸陽極化工藝參數(shù)及操作條件見表 1。

2.2 試驗(yàn)材料

耐蝕性試驗(yàn)采用2024-T3的試片進(jìn)行，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為4.51% Cu，1.36% Mg，0.55% Mn，0.26% Fe，0.14% Zn，0.09% Si，余量為Al，試片尺寸為254 mm×76 mm×(0.64～1.6) mm，每組試驗(yàn)需要5個(gè)試片。由于2024鋁合金組織中CuAl2和Al2CuMg等富Cu相的存在，使其耐蝕性明顯低于其他鋁合金材料，因此采用2024-T3鋁合金考察硫酸陽極化工藝的耐蝕性，若采用2024材料通過耐蝕性試驗(yàn)，表明該工藝滿足耐蝕性要求。

表1 硫酸陽極化主要工藝參數(shù)及操作條件

2.3 試驗(yàn)方法

耐蝕性采用336 h的中性鹽霧試驗(yàn)，鹽溶液濃度為 5%±1%NaCl（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），pH 為 6.5～7.2，噴霧量為（1.0～2.0）mL/（80 cm2·h），試驗(yàn)溫度為(35±2) ℃。評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：在任何194 cm2的試驗(yàn)面積上，允許有5個(gè)直徑不超過 0.8 mm的離散點(diǎn)或凹坑；在總數(shù)968 cm2的試驗(yàn)面積上，允許有 15個(gè)直徑不超過0.8 mm的離散點(diǎn)或凹坑。硫酸槽液、封閉槽液中的Cu2+、Fe2+、Al3+等雜質(zhì)含量采用等離子原子吸收光譜檢測。封閉液槽液含量采用分光光度計(jì)檢測。

3 原因分析

3.1 試片表面質(zhì)量對耐蝕性的影響

由于耐蝕性試驗(yàn)失敗，首先查看了使用的試片。該試片生產(chǎn)廠商為KAISER ALUMINUM，之前一直使用該廠家生產(chǎn)的試片，均未出現(xiàn)問題。從庫房隨機(jī)領(lǐng)取同批次的試片，目視觀察試片表面未見明顯異常，但在50倍的放大鏡下觀察其中一試片，試片表面有劃傷、顏色發(fā)暗的痕跡（如圖1所示），并對缺陷位置進(jìn)行標(biāo)記編號。

使用該組試片進(jìn)行硫酸陽極化，工藝流程、槽液成分含量以及操作條件與之前保持一致。放入鹽霧試驗(yàn)箱經(jīng)過336 h后觀察試片表面形貌，如圖2所示?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)前劃傷、顏色發(fā)暗區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的腐蝕，其余試片表面也存在類似情況，因此試片表面出現(xiàn)的劃傷等現(xiàn)象是耐蝕性試驗(yàn)失敗的可能原因之一。

3.2 前處理工藝對耐蝕性的影響

由于2024鋁合金中含有硅、銅、錳元素，經(jīng)堿腐蝕后，零件表面存在大量黑色掛灰。若掛灰處理不凈，會導(dǎo)致膜層疏松，從而影響陽極化膜的質(zhì)量，致使耐蝕性試驗(yàn)失敗。用之前的前處理工藝流程：來件檢查→有機(jī)溶劑除油→堿腐蝕→熱水洗→冷水洗→光澤→冷水洗→水膜檢查，戴上白色布手套觸摸前處理后試片，白色手套未有黑色掛灰殘留，說明試片已被處理干凈，但試片表面不均勻，出現(xiàn)花斑現(xiàn)象?；ò攥F(xiàn)象存在的可能原因是由于零件表面的油污沒有被完全去除，而影響堿腐蝕效果造成的。因此調(diào)整前處理工藝路線，在有機(jī)溶劑后增加水基除油（槽液成分及含量為Turco 4215 NC-LT 45～60 g/L，槽液溫度為45～55 ℃，時(shí)間為5～10 min ）工序，再通過水膜檢查評判除油效果，試驗(yàn)證明增加除油工序后試片表面均勻干凈。

3.3 硫酸含量及其工藝參數(shù)對耐蝕性的影響

耐蝕性試驗(yàn)失敗的試片于2016年12月14日加工，復(fù)查硫酸陽極化槽液化驗(yàn)分析報(bào)告及流水卡片，硫酸含量及其工藝參數(shù)見表2。其槽液含量和操作參數(shù)均滿足工藝規(guī)程的要求。

表2 硫酸含量及其工藝參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

考慮到硫酸槽液的使用過程中，由于鋁及其他金屬的溶解，使槽液中有害雜質(zhì)會不斷積累，對氧化膜影響較大的雜質(zhì)有Al3+、Cu2+、Cl-、Fe2+等。對于普通陽極氧化工藝，溶液中允許最大的雜質(zhì)含量為Al3+≤25 g/L、Cu2+0.02 g/L、Cl-≤0.2 g/L、Fe2+≤0.2 g/L。當(dāng)溶液中Al3+、Cu2+、Cl-、Fe2+等雜質(zhì)離子含量過高時(shí)會影響氧化膜的吸收能力及耐蝕性[14-15]。從表2中可知，Al3+、Cl-含量均小于規(guī)定值，但槽液中的Cu2+、Fe2+沒有進(jìn)行監(jiān)控分析，從槽液中取出100 mL溶液采用等離子吸收光譜進(jìn)行分析，Cu2+含量為 0.0204 g/L、Fe2+含量為0.0242 g/L，溶液中只有Cu2+含量超過要求范圍。Cu2+離子含量的增高影響氧化膜的色澤、透明度、耐蝕性，易使膜層產(chǎn)生黑斑或黑色條紋，從而影響膜層的耐蝕性。從耐蝕性試驗(yàn)后試片出現(xiàn)大量的黑色小點(diǎn)可以判斷，硫酸槽液中Cu2+含量過高是導(dǎo)致耐蝕性試驗(yàn)失敗的可能原因。

3.4 封閉液對耐蝕性的影響

美普惠公司硫酸陽極化使用一種無毒、無污染的METALAST TCP-HF環(huán)保型封閉液進(jìn)行封閉，該種封閉液主要成分為Cr3+鹽，無毒、且操作溫度低，屬于一種常溫封閉液。在正常產(chǎn)生中，定期對封閉液進(jìn)行分析，體積分?jǐn)?shù)控制在25%～28%之間，pH值要求3.5～3.9。檢查2016年12月14日當(dāng)天封閉液分析報(bào)告：體積分?jǐn)?shù)為27.33%，pH為3.54，均符合要求?？紤]到生產(chǎn)過程中基體材料的溶解，對封閉液中可能的雜質(zhì)離子 Al3+、Cu2+、Fe2+、Zn2+進(jìn)行了分析，其結(jié)果見表3。

表3 新舊封閉液中雜質(zhì)元素含量對比

從表4中可以看出，舊槽液中的雜質(zhì)離子明顯增多，封閉液中雜質(zhì)離子的存在影響氧化膜的封孔效果，從而導(dǎo)致耐蝕性降低。

3.5 氧化膜層厚度對耐蝕性的影響

硫酸槽液含量、溫度及電壓一定時(shí)，氧化膜層的厚度與時(shí)間有關(guān)系。由于鋁合金陽極化過程是氧化膜增長和溶解同時(shí)進(jìn)行的，在最初階段，膜厚增長速度大于溶解速度，膜厚隨時(shí)間而增加，同時(shí)溶解速度也隨時(shí)間而增大。當(dāng)成膜速度與膜層溶解速度相當(dāng)時(shí)，膜層的厚度將不會增長，膜厚會隨著時(shí)間的延長而減少，因此在實(shí)際生產(chǎn)中要控制陽極化的時(shí)間可獲得需要的膜層厚度。陽極化膜層厚度薄時(shí)，耐蝕性試驗(yàn)合格率較低，在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)陽極化膜層厚度大于0.007 mm時(shí)，耐蝕性試驗(yàn)合格。經(jīng)查耐蝕性試驗(yàn)失敗的試片氧化膜層厚度在0.008～0.011 mm范圍內(nèi)，因此排出膜層厚度對耐蝕性的影響。

4 改善對策

1）對鹽霧試片的控制要求。重新采購耐蝕性試驗(yàn)所用的鹽霧試片，確保試片保護(hù)膜完整無破損，試片表面無劃傷及腐蝕點(diǎn)。同時(shí)編制鹽霧試片控制程序，操作者在使用前必須進(jìn)行檢查，保護(hù)膜不完整，試片表面劃傷、腐蝕不允許使用。

2）優(yōu)化鋁合金硫酸陽極化前處理工藝。更改硫酸陽極化總程序，在有機(jī)溶劑除油后、堿腐蝕前增加水基除油工序，將試片表面的油污徹底清除，避免試片或零件表面出現(xiàn)因除油不凈而造成的花斑現(xiàn)象，避免氧化膜層疏松，以提高膜層質(zhì)量。優(yōu)化后的前處理工藝流程為：來件檢查→有機(jī)溶劑除油→水基除油→堿腐蝕→熱水洗→冷水洗→光澤→冷水洗→水膜檢查。

3）硫酸槽液雜質(zhì)的控制要求。更改硫酸陽極化總程序，增加對硫酸槽液、封閉槽液中雜質(zhì)離子的控制要求，具體見表4。通過對硫酸槽液、封閉槽液中雜質(zhì)的控制，提高氧化膜層質(zhì)量，從而保證耐蝕性試驗(yàn)合格。

表4 硫酸槽液、封閉槽液中雜質(zhì)離子的控制要求

5 結(jié)語

通過上述分析硫酸陽極化耐蝕性試驗(yàn)失敗的原因，不是單一因素造成的，而是由于試片基材缺陷、硫酸槽液Cu2+含量高、封閉槽液被污染的共同作用下導(dǎo)致的。采用改善對策后加工的試片，通過了336 h的中性鹽霧的耐蝕性試驗(yàn)。