恒壓與恒流兩種鋁陽(yáng)極氧化控制方法的比較

黃允芳，蔡錫昌，蔣利民

（1.江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226011；2.精細(xì)化學(xué)品集團(tuán)有限公司，浙江 臺(tái)州 318020）

鋁作為用量?jī)H次于鋼鐵的第二大金屬，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到積極而重要的作用。鋁陽(yáng)極氧化工藝是一種保護(hù)鋁表面免遭腐蝕的有效措施，特別在戶外鋁材被廣泛應(yīng)用。鋁陽(yáng)極氧化膜厚的控制方法可分為恒壓與恒流兩種方法。然而，對(duì)兩種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較鮮有報(bào)道，給鋁陽(yáng)極氧化生產(chǎn)一線工作者對(duì)控制方法選擇或更改帶來(lái)困惑。只有深入了解兩種控制方法的相同點(diǎn)、不同點(diǎn)及各自應(yīng)該注意的問(wèn)題，結(jié)合企業(yè)陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線自身的實(shí)際情況，才能對(duì)控制方法作出正確的選擇或更改。

所謂恒壓控制，就是在陽(yáng)極氧化前將電源控制柜上的恒壓開(kāi)關(guān)（或恒壓檔）合上、恒流開(kāi)關(guān)（或恒流檔）斷開(kāi)，按預(yù)先試驗(yàn)與膜厚實(shí)測(cè)的結(jié)果，設(shè)定電壓（一般取12～18 V之間的某一數(shù)值）與時(shí)間，這樣在陽(yáng)極氧化整個(gè)處理過(guò)程中，電源控制電壓是恒定不變的；所謂恒流控制，就是在陽(yáng)極氧化前將電源控制柜上的恒流開(kāi)關(guān)合上、恒壓開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，按工件可陽(yáng)極氧化的總表面積與選定的電流密度（一般取1.0～2.0 A·dm-2之間的某一數(shù)值［1］），計(jì)算出所要設(shè)定的總電流，按膜厚要求設(shè)定時(shí)間，這樣在陽(yáng)極氧化整個(gè)過(guò)程中，電源控制總電流是恒定不變的。本文主要對(duì)恒壓與恒流兩種控制方法進(jìn)行比較，并對(duì)各自可能遇到的實(shí)際問(wèn)題提出一些對(duì)策措施，供從事鋁陽(yáng)極氧化技術(shù)與生產(chǎn)的同行們參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和工藝條件

鋁工件試樣為6063-T5鋁合金型材，具體成分見(jiàn)表1所示。陽(yáng)極氧化工藝條件：槽液溫度18～22℃，槽液組成為游離H2SO4155～175 g·L-1、Al3＋12～18 g·L-1。電解著色工藝條件：著色電壓為17 V，槽液溫度19～21℃，槽液組成為游離H2SO415～17 g·L-1、SnSO414～16 g·L-1、著色穩(wěn)定劑20～25 g·L-1。常溫封閉工藝條件：槽液pH 6.0～6.5，槽液溫度27～29℃，封閉時(shí)間1.0～1.2 min·μm-1，槽液組成為Ni2＋1.0～1.2 g·L-1、F-0.3～0.4 g·L-1。

表1 6063-T5鋁合金型材的化學(xué)成分［2］Tab.1 Chemical composition of 6063-T5 aluminum alloy［2］

1.2 儀器和工藝流程

采用GGDF 200A/22V高頻開(kāi)關(guān)電源為陽(yáng)極氧化電源；采用Surfix/Pocket-Surfix?渦流測(cè)厚儀測(cè)定膜厚。按GB/T 8753.1-2017硝酸預(yù)浸的磷鉻酸失重法進(jìn)行封閉質(zhì)量檢驗(yàn)。

工藝流程：6063鋁工件試樣→脫脂→水洗→堿洗→水洗→水洗→中和→水洗→陽(yáng)極氧化→水洗→水洗→電解著色→水洗→水洗→常溫封閉→水洗→水洗→瀝干→試樣檢測(cè)

2 結(jié)果與討論

2.1 恒壓控制優(yōu)缺點(diǎn)

陽(yáng)極氧化生成的膜厚主要取決于可陽(yáng)極氧化鋁工件表面通過(guò)的電量，而不是取決于電壓［3］。因此采用恒壓控制，在控制陽(yáng)極氧化膜厚偏差方面，特別是對(duì)25μm以上陽(yáng)極氧化厚膜控制，準(zhǔn)確性不如恒流控制。但是，陽(yáng)極氧化電壓與電流密度也存在著很大的關(guān)系，恒壓控制下的電流密度隨電壓的升高而遞增，在常規(guī)陽(yáng)極氧化工藝條件下較短的時(shí)間內(nèi)，幾乎呈正比例關(guān)系，因而對(duì)生產(chǎn)薄膜至中等厚度膜（5～12μm），采用恒壓控制同樣能較好地控制厚度偏差。

采用恒壓控制，通常設(shè)定電壓12～18 V，對(duì)拋光工件，為了減少在陽(yáng)極氧化過(guò)程中失光，一般采用較高的硫酸濃度（200～250 g·L-1），因而電壓值往往設(shè)定較低；而對(duì)某些工件，特別是電解著色黑色料，為了獲得顏色均勻的真黑色，需要設(shè)定較高電壓。歸納起來(lái)，采用恒壓控制有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：（1）操作簡(jiǎn)便，在穩(wěn)定槽液中的硫酸和鋁離子濃度及槽液溫度的前提下，無(wú)需計(jì)算同掛所有處理工件中可陽(yáng)極氧化的表面積，只需控制同掛處理工件的實(shí)際總電流不超過(guò)電源的額定電流，以防止電源超負(fù)荷運(yùn)行。（2）當(dāng)同一掛工件中有少數(shù)幾個(gè)工件出現(xiàn)導(dǎo)電不良時(shí)，隨陰陽(yáng)極比（即浸沒(méi)在陽(yáng)極氧化槽液內(nèi)鋁工件所對(duì)應(yīng)的陰極表面積與鋁工件表面積之比）發(fā)生變化，總電流會(huì)自然降低，使得其余工件上的電流密度基本維持不變，以致只是導(dǎo)電不良幾個(gè)工件出現(xiàn)沒(méi)膜或膜厚偏低問(wèn)題，而其余同掛工件的成膜速度與膜層質(zhì)量基本不受影響。

2.2 恒流控制表面積計(jì)算及優(yōu)缺點(diǎn)

在工業(yè)化生產(chǎn)中，采用恒流控制，必須要計(jì)算工件表面積。一般工件陽(yáng)極氧化表面積主要按兩種方法計(jì)算：（1）按工件斷面圖上所標(biāo)注的尺寸計(jì)算斷面外周長(zhǎng)（m），再乘以工件的長(zhǎng)度（m），就得到工件的表面積；（2）直接對(duì)工件實(shí)物樣品測(cè)量斷面外周長(zhǎng)（m），再乘以工件的長(zhǎng)度（m），就得到工件的表面積。另外，對(duì)有型腔的工件，還要考慮端頭型腔內(nèi)壁陽(yáng)極氧化膜進(jìn)入部分的表面積。在工件兩端都浸沒(méi)在電解液內(nèi)情況下，需要計(jì)算兩端型腔內(nèi)膜（在圖1中以L標(biāo)出），而對(duì)大型立式陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線，工件上端露出槽液，則只計(jì)算下端型腔膜。受電場(chǎng)屏蔽影響，膜進(jìn)入厚度呈急速遞減趨勢(shì)，因此不能按進(jìn)入膜總表面積計(jì)算，而應(yīng)該換算成相當(dāng)于外表面膜厚的等效表面積。通過(guò)對(duì)多種規(guī)格鋁工件的試驗(yàn)與膜厚測(cè)試，結(jié)果是：膜進(jìn)入深度約為型腔短邊長(zhǎng)度的15倍，等效表面積約為進(jìn)入膜總表面積的35%。因而，膜進(jìn)入等效表面積計(jì)算可簡(jiǎn)單按下式（1）計(jì)算。

圖1 有型腔鋁工件陽(yáng)極氧化膜進(jìn)入內(nèi)腔深度示意圖Fig.1 Schematic diagram of lumen depth of film entering for aluminum workpieces after anodizing

式中：S為膜進(jìn)入等效表面積，m2；a為工件型腔長(zhǎng)邊，mm；b為工件型腔短邊，mm；k為膜進(jìn)入厚度遞減系數(shù)，取0.35。

對(duì)某些經(jīng)過(guò)復(fù)雜深加工的工件（如汽車天窗導(dǎo)軌類），斷面形狀多變，直接對(duì)實(shí)物測(cè)量不僅繁瑣，也難計(jì)算準(zhǔn)確，基于工件的斷面厚度基本相同，這類工件的表面積（m2）可簡(jiǎn)單按下式（2）計(jì)算。

式中：S為工件表面積，m2；W為工件重量，kg；δ為工件厚度，mm；2.7為鋁的相對(duì)密度；2為代表工件表面兩個(gè)面；k為表面積增補(bǔ)系數(shù)，大于1.0。

采用恒流控制，除計(jì)算工件表面積外，還需特別注意：在開(kāi)始通電升壓時(shí)，要觀察電壓表或電壓顯示器上升壓是否正常。當(dāng)電壓出現(xiàn)異常、超出正常范圍時(shí)，說(shuō)明該掛工件中有一部分工件導(dǎo)電不良；當(dāng)不良導(dǎo)電工件較多，或全部不導(dǎo)電（這種情況往往是導(dǎo)電橫梁與總掛具，或?qū)щ姍M梁與槽邊導(dǎo)電座間不導(dǎo)電）時(shí)，需要及時(shí)手動(dòng)斷電。只有在排除不良導(dǎo)電故障后，才可二次通電，不然會(huì)損壞電壓表或電壓控制元件。為維持在恒流控制下總電流不變，加在其余導(dǎo)電良好工件上的電流密度就變大，顯示的電壓隨之也變大，當(dāng)導(dǎo)電不良工件數(shù)占比較大，工件進(jìn)入后道工序時(shí)，陽(yáng)極氧化劣質(zhì)膜層問(wèn)題會(huì)連帶出現(xiàn)電解著色與封閉質(zhì)量問(wèn)題（見(jiàn)表2）。

試驗(yàn)表明：恒流控制下隨不良導(dǎo)電工件數(shù)占比增加，其余導(dǎo)電良好工件的電壓與電流密度都會(huì)隨之增大，膜厚會(huì)隨之偏高。在電流密度為1.5 A·dm-2下，不良導(dǎo)電工件占比約5%是電解著色出現(xiàn)顏色質(zhì)量波動(dòng)的一個(gè)臨界點(diǎn)；不良導(dǎo)電工件占比約10%是出現(xiàn)封閉質(zhì)量波動(dòng)的一個(gè)臨界點(diǎn)。

在總電流不變情況下，電流密度與工件表面積呈反比關(guān)系，因此，表2中“其余工件電流密度”按下式（3）計(jì)算。

表2 恒流控制下部分工件導(dǎo)電不良對(duì)其余工件的連帶影響Tab.2 The joint influence of poor conductivity of some workpiece on others under constant current control

式中：I為其余工件電流密度，A·dm-2；I0為原選定的電流密度，1.5 A·dm-2；X為導(dǎo)電不良工件數(shù)占比，%。

可采取的對(duì)策措施：陽(yáng)極氧化剛通電升壓時(shí)要注意觀察升壓情況，如果觀察到通電后電壓超出正常值0.5 V以上，應(yīng)及時(shí)將電壓調(diào)回正常值，以使其余工件處于正常陽(yáng)極氧化狀態(tài)；如果觀察到電壓超出1.0 V以上，應(yīng)馬上手動(dòng)斷電，及時(shí)排除不良導(dǎo)電故障。

采用恒流控制，一般設(shè)定電流密度值為1.0～2.0 A·dm-2，與恒壓控制同樣，對(duì)拋光工件，電流密度取下限；而對(duì)電解著色黑色料，為穩(wěn)定顏色與封閉質(zhì)量，電流密度取1.4～1.6 A·dm-2。采用恒流控制，主要優(yōu)點(diǎn)是在工件全部導(dǎo)電良好前提下，能有效控制膜厚偏差。因?yàn)殛?yáng)極氧化成膜耗電成本在生產(chǎn)成本中占比最大，所以控制膜厚偏差更小，等于更好地節(jié)省生產(chǎn)成本。另外，封閉時(shí)間通常按膜的厚度設(shè)定，電解著色速度受膜的厚度影響較大［4］，因此膜厚偏差控制較小，又意味著能使電解著色顏色與封閉質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定。

2.3 在工藝條件波動(dòng)較大情況下膜厚偏差的比較

在工業(yè)化生產(chǎn)中，一般常規(guī)陽(yáng)極氧化工藝條件波動(dòng)范圍：H2SO4150～170 g·L-1、Al3＋12～18 g·L-1、溫度18～22℃。在這一工藝條件上限與下限兩種極端情況下，兩種控制獲得的膜厚偏差比較見(jiàn)表3。

試驗(yàn)表明：在工藝條件波動(dòng)較大情況下，恒壓控制的膜厚偏差相對(duì)較大的原因，是由于硫酸濃度、鋁離子濃度與槽液溫度都直接影響槽液的電阻［5］，導(dǎo)致總電流偏差較大，見(jiàn)表3所示，恒壓控制下總電流從46.3 A上升至63.5 A。為了有效縮小膜厚偏差，如果陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線自身設(shè)備原因不能縮小工藝條件波動(dòng)，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與膜厚實(shí)測(cè)，對(duì)設(shè)定電壓或時(shí)間及時(shí)作出適當(dāng)調(diào)整。也就是說(shuō)，恒壓控制下要觀察每掛處理工件剛開(kāi)始通電時(shí)的總電流是否有異常波動(dòng)，一般對(duì)表面積基本相同的工件，為了控制較小膜厚偏差，需要及時(shí)對(duì)總電流異常波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。而恒流控制下電源會(huì)自動(dòng)調(diào)整電壓，見(jiàn)表3中恒流控制下電壓從17.0 V下降至15.4 V，因而在工藝條件波動(dòng)較大情況下，恒流控制下的膜厚偏差較小。

表3 在工藝條件波動(dòng)較大情況下膜厚偏差的比較Tab.3 The comparison of film thickness deviation under fluctuating process conditions

2.4 在陰陽(yáng)極比波動(dòng)較大情況下膜厚偏差的比較

浸沒(méi)在陽(yáng)極氧化槽液內(nèi)鋁工件所對(duì)應(yīng)的陰極表面積與鋁工件表面積之比，即陰陽(yáng)極比，一般控制要求大于1∶2［6］。當(dāng)陰陽(yáng)極比過(guò)小時(shí)，由于投射到鋁工件表面的電流密度不均勻，會(huì)導(dǎo)致生成的陽(yáng)極氧化膜厚不均勻。特別是在陰極使用太久而破損情況下，還會(huì)容易引起工件導(dǎo)電接觸不良、封閉表面起粉等現(xiàn)象。

在陽(yáng)極氧化工藝條件相同的情況下，隨陰陽(yáng)極比波動(dòng)（即被處理的鋁工件表面積波動(dòng)），對(duì)恒壓與恒流兩種控制方法的膜厚偏差影響見(jiàn)表4。

表4 在陰陽(yáng)極比波動(dòng)較大情況下膜厚偏差的比較Tab.4 The comparison of film thickness deviation in the case of large fluctuation of anode/cathode ratio

由表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，無(wú)論是恒壓控制，還是恒流控制，陰陽(yáng)極比較大，即工件表面積較小，則獲得的陽(yáng)極氧化膜偏厚，反之膜偏薄；在陰陽(yáng)極比2∶1與1∶2兩種情況下，兩種控制的膜厚偏差均達(dá)到1.25μm。為了減輕陰陽(yáng)極比波動(dòng)的影響，較多陽(yáng)極氧化槽組的陰極的橫斷面制成波紋或鋸齒形狀，以提高陰極表面積，能比較有效地防止出現(xiàn)陰陽(yáng)極比過(guò)小現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）恒壓控制下總電流隨陽(yáng)極氧化時(shí)間延長(zhǎng)而緩慢下降；恒流控制下電壓隨陽(yáng)極氧化時(shí)間延長(zhǎng)而緩慢上升。

（2）恒壓控制下及時(shí)調(diào)整異常的總電流波動(dòng)，可以縮小由工藝條件波動(dòng)較大引起的膜厚偏差；恒流控制下及時(shí)調(diào)整異常的電壓波動(dòng)，可以減輕不良導(dǎo)電工件對(duì)其余工件的連帶影響。

（3）為控制好膜厚波動(dòng)，兩種鋁陽(yáng)極氧化控制都需要穩(wěn)定陰陽(yáng)極比，即穩(wěn)定每掛工件的表面積，且控制陰陽(yáng)極比大于1∶2。

（4）采用恒流控制，對(duì)工件導(dǎo)電接觸要求高，需要準(zhǔn)確計(jì)算工件表面積，最大優(yōu)點(diǎn)是有利于降低生產(chǎn)成本與保證后道工序質(zhì)量，應(yīng)優(yōu)先選用。