鋁合金硬質陽極氧化膜故障原因分析及對策

武平方，劉 冰，張 勤，周建軍，毛 峰，韓平平

(豫西集團南陽北方向東工業(yè)有限公司，河南 南陽 474677)

鋁的硬質陽極氧化技術是以陽極氧化膜的硬度與耐磨性作為首要特性的陽極氧化技術，這種膜一般以通用工程應用或軍事應用為目的，膜厚一般>25 μm，氧化膜的橫截面顯微硬度>350 HV作為硬質膜的標準[1]。但實際上，硬質氧化膜的硬度與合金種類、陽極氧化工藝參數(shù)等因素有關，跟橫截面的測量位置也有一定關系。

硬質陽極氧化工藝與普通陽極氧化工藝沒有嚴格的界線，氧化膜的生成機理與普通硫酸陽極氧化相同，但為了獲得厚而硬的膜層需要強制冷卻電解液，采用高電壓和大電流使膜的生成速度遠大于溶解速度[2]。

硬質陽極氧化工藝和氧化膜性能受鋁合金加工狀態(tài)和合金成分影響較大。筆者采用以硫酸為主的混酸硬質陽極氧化工藝對擠壓鋁管2A12產品進行硬質陽極氧化處理，并進行水封閉處理，產品烘干下線后，發(fā)現(xiàn)大量產品表面附著有白色粘稠物質，影響產品的質量和外觀[3]。

1 基體材料及零件形狀

該產品為擠壓鋁管2A12材質，屬于2000系鋁合金。2000系鋁合金的主要問題是富銅的金屬間化合物相的優(yōu)先溶解，從而在硬質陽極氧化膜中形成空洞。解決上述缺陷的主要訣竅是控制電流上升時間和降低電流密度，使得開始生成薄膜時盡量防止富銅相的局部溶解。2000系的高銅鋁合金采用硫酸、直流硬質陽極氧化有一定難度，局限性在于“燒損”傾向，除非電接觸和攪拌特別有效，因此高銅鋁合金的“燒損”傾向比較常見，常常產品因燒蝕而報廢。

該產品為異形零件，內弧面為線切割表面，外弧面為精車表面，局部有尖銳棱角，且有2個φ3 mm通孔，因此產品氧化過程中經常發(fā)生“燒蝕”現(xiàn)象，造成產品報廢。

2 硬質陽極氧化工藝

工藝流程為：裝掛具→上自動線→除油→熱水洗→冷水洗(采用空氣攪拌)→堿蝕→二道冷水洗→出光→二道冷水洗→純水洗→硬質陽極氧化→二道冷水洗→封閉→烘干→下自動線→卸掛具。

化學除油：脫脂劑為40～60 g/L，溫度為40～60 ℃，時間為3～6 min。

堿蝕[4]：氫氧化鈉為40～60 g/L，堿蝕劑為6～10 g/L，溫度為60～70 ℃，時間為1～3 min。

出光：硝酸為280～350 g/L，室溫，時間為1～2 min。

硬質陽極氧化[5-6]：硫酸為230～260 g/L，甘油為10～20 g/L，草酸為1～5 g/L，溫度為0～5 ℃，時間為55～65 min，空氣攪拌。

封閉：純水，溫度為90～95 ℃，時間為5～10 min。

3 產生白色物質原因分析

陽極氧化生產線為自動生產線，每槽裝5掛，每掛20件，同槽產品下線后有80%的產品外表面附著有白色物質。將附著有白色物質的產品放入高溫水中浸泡幾分鐘，產品表面的白色物質大部分會被去除，但也有產品會留下印痕無法去除，需要進行返工處理。

為了解決該質量問題，筆者現(xiàn)場進行跟蹤生產，對附著白色物質的產品進行了現(xiàn)場查看和分析：產品表面附著白色物質的位置，大部分位于尾翼孔位置(見圖1)，特別是尾翼孔被白色物質填滿；將白色物質取出，進行了定性分析，該物質溶于水，溶液顯酸性，含有少量鋁離子；附著白色物質的零件通過高溫水洗、干燥后，白色物質去除干凈，外觀檢驗合格。為徹底解決該問題，筆者從人、機、料、法、環(huán)、測6個方面入手，系統(tǒng)查找原因。

3.1 人員

生產線為自動生產線，該生產線配有3名操作人員，負責產品的裝夾、下架和生產線設備維護；班組長負責生產線槽液維護。操作人員能熟練操作設備，嚴格按工藝規(guī)程操作，未發(fā)現(xiàn)違反工藝的現(xiàn)象。

3.2 設備

該硬質陽極氧化生產線為自動生產線，也可手動操作。該產品是公司的主要產品，產品的掛具為專用鈦合金掛具，適合批量生產。產品生產采用自動生產模式，產品的上線和下線在生產線一端依次完成。陽極氧化電源為智能可控硅無級調壓整流電源，根據(jù)工藝要求，可以通過設置參數(shù)，進行全自動工藝曲線輸出控制，配置計算機監(jiān)控系統(tǒng)，能對溫度、電流、電壓進行監(jiān)控。生產線行車運行正常，電源電壓、電流輸出正常，未發(fā)生異常。

3.3 料

筆者對需要進行陽極氧化的產品進行外觀質量檢查[7]。該產品來自于兩家機械加工分廠，由于兩家采用的機械加工工藝略有差異，因此產品的表面粗糙度略有差異，兩家產品都有白色物質附著，但表面粗糙度大的產品良品率更低一些。因此產品表面粗糙度對該質量問題有一定影響。

3.4 方法

3.4.1 手動控制與自動控制

產品在生產過程中使用自動控制程序，為了查找原因，采用手動模式生產，產品下線后檢查，產品良品率明顯提高，但仍有少量產品表面有白色物質附著，說明采用手動操作對改善產品質量有利。通過對手動操作和自動操作進行對比分析，發(fā)現(xiàn)主要區(qū)別在于手動操作時在水洗槽清洗的時間長于自動操作，說明白色物質為未清洗干凈造成的。其次，手動操作需要操作者在生產線操作行車完成，因此不是解決問題的根本辦法。

3.4.2 工藝流程分析

產品采用硫酸硬質陽極氧化工藝，生產過程中主要功能槽液涉及氫氧化鈉、硝酸、硫酸、甘油、草酸等幾種物質。為此筆者對前處理、氧化槽各個環(huán)節(jié)進行一一驗證、排除。

1)驗證是否因前處理不良造成的，分別對化學除油、堿蝕、出光等工序進行逐一驗證；產品經前處理后，安排操作人員對尾翼孔加強清水沖洗，產品氧化后白色物質仍然存在。

2)驗證是否因氧化槽溶液造成的，氧化槽液中含有硫酸、甘油、草酸，因甘油是無色、透明、粘稠液體，筆者認為可能是甘油未清洗干凈造成表面有大量甘油物質殘留，烘干后變成白色物質附著產品表面。通過驗證，該白色物質仍然存在。

3)驗證產品出氧化槽溶液后是否水洗干凈，產品出氧化槽后筆者進行了對比試驗，A組對尾翼孔加強清洗，B組正常清洗，發(fā)現(xiàn)加強清洗的產品表面沒有白色物質附著，經過對裝掛后產品的觀察，發(fā)現(xiàn)是尾翼孔被掛具遮擋了孔的一端，形成了盲孔，氧化溶液清洗不凈，殘留的溶液與鋁基體反應生成硫酸鋁，干燥后形成了白色物質，從孔中流出來，附在產品表面。

3.4.3 裝夾方式

產品采用專用鈦合金掛具(見圖2)進行裝夾，產品有2個φ3 mm通孔，掛具依托2個孔，采用彈性裝夾方式。觀察該孔的位置，發(fā)現(xiàn)裝夾后，該孔變成了盲孔(見圖3)，里面存有液體。因此產品裝夾的方式對產品有一定影響。

3.4.4 水洗

生產線的水洗，采用流動冷水洗，由于生產線使用的是地下水，顆粒物較多，流動水洗槽未定期清理，水中有大量懸浮物，對產品質量有一定影響。

3.5 環(huán)境

筆者跟班生產一段時間發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對其沒有太大影響，產品從首槽開始生產到最后一槽生產，產品質量狀況沒有明顯差異。

3.6 測量

零件有2個尾翼孔，氧化后需要100%進行通止檢驗。操作人員在對產品的2個孔進行自檢過程中發(fā)現(xiàn)，其中一個孔止規(guī)通過，孔檢測不合格。操作人員改變零件裝夾方向后，另一端的孔止規(guī)檢測不合格。通過觀察發(fā)現(xiàn)，檢測不合格的孔，都是朝上的孔，該孔裝夾后成為一個盲孔，孔中存留的功能溶液繼續(xù)與基體反應，造成了孔變大。

4 改進措施

4.1 對陽極氧化工藝流程的改進

1)加強水洗。對生產線流動水洗槽中的水進行定期更換，保證水的潔凈度，并加空氣攪拌。

2)改進裝夾。對鈦合金掛具進行改善(見圖4)，將裝夾的掛具由圓錐型改為三角錐型，使產品裝夾后，小孔內的溶液仍能自由流動，保證水洗時能將孔內殘留的酸堿溶液清洗干凈(見圖5)。

4.2 對機械加工過程的改進建議

建議機械加工過程控制產品的表面粗糙度，必要時表面進行拋光處理。

5 結語

經過試驗，可以得出如下結論。

1)硬質陽極氧化膜附著白色物質的原因與零件裝夾掛具有直接關系，產品裝夾后兩端的尾翼孔形成了2個盲孔，一端盲孔朝上，氧化溶液清洗不凈，繼續(xù)與基體發(fā)生反應形成硫酸鋁，干燥后形成白色物質。

2)將掛具的接觸位置由面接觸改為了點接觸，保證溶液在孔中自由流動，快速清洗干凈氧化溶液。在生產過程中，技術人員應加強工藝過程的管控，深入現(xiàn)場，關注細節(jié)，加強生產線的日常管理以及生產過程中的綜合治理工作，只有這樣才能使工藝過程受控，保證產品質量穩(wěn)定、可靠。