張勝寶， 師玉英， 張 旭

(哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝研究

張勝寶， 師玉英， 張 旭

(哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

通過大量的工藝試驗(yàn)，確定了能夠同時(shí)滿足三種鋁合金硬質(zhì)陽極氧化的溶液配方、工藝流程和工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過選擇適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)，能夠在鋁合金表面形成均勻、致密、高耐磨、高耐蝕性的硬質(zhì)陽極氧化層。

硬質(zhì)陽極氧化;脈沖;硬度

引 言

鋁是一種比較活潑的金屬，在空氣中和氧發(fā)生作用，在表面生成一層很薄的自然氧化膜(Al2O3)，將鋁合金零件作陽極在一定溫度、一定濃度的硫酸溶液中，施加一定的電流和電壓，經(jīng)過一定的時(shí)間，即可在其表面獲得一層比在自然條件下產(chǎn)生的自然氧化膜厚得多的、可控的、有一定厚度(＞50μm)的、硬度大于250HV的硬質(zhì)陽極氧化膜。它具有較強(qiáng)的硬度和耐磨性、有很好的絕熱性、有優(yōu)良的電絕緣性、有很高的耐蝕性、還有很強(qiáng)的結(jié)合力。該膜層的產(chǎn)生極大地改變了鋁合金的使用性能，這種具有獨(dú)特使用價(jià)值的工藝技術(shù)，使之在航空和航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1-4］。鋁合金硬質(zhì)陽極氧化加工行業(yè)現(xiàn)實(shí)的情況是，要獲得合格的硬質(zhì)陽極氧化膜，所采用的工藝，對(duì)不同的鋁合金材料，要采用不同的溶液、不同的工藝參數(shù)進(jìn)行加工，所用電源有直流、交直流疊加、直流疊加脈沖及脈沖等方式，這需要幾套槽液，幾種電源，這是由于鋁合金材料不同、所含元素不同、所含元素質(zhì)量的不同決定的。也就是技術(shù)難點(diǎn)所在。

另外，由于部分零件外露，需要在保證硬度的情況下，提高其耐蝕性，鹽霧試驗(yàn)時(shí)間要求達(dá)到336 h以上無腐蝕。

為此，要研制開發(fā)在同一種成份、同一種濃度的硬質(zhì)陽極氧化槽液中、使用同一個(gè)電源，在不同的鋁合金材料制作的產(chǎn)品上獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)陽極氧化膜的生產(chǎn)工藝是必要的。

1 原理簡(jiǎn)介與工藝方案

1.1 原理簡(jiǎn)介

用硫酸電解液進(jìn)行鋁合金硬質(zhì)陽極氧化的機(jī)理，與鋁合金普通硫酸陽極氧化的原理基本相同。普通的硫酸陽極氧化，槽液溫度在16～20℃，電壓在12～20V，氧化膜的生成速度與溶解速度很快就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡了。氧化的過程中伴有大量的熱產(chǎn)生，這也提高了反應(yīng)界面的溫度，使氧化膜的溶解速度更快，此時(shí)即使延長陽極氧化時(shí)間，膜層厚度也不會(huì)增加，反而零件的幾何尺寸會(huì)不斷減?。?-6］。因此，為了獲得合格的硬質(zhì)陽極氧化膜層，在膜的“生長”和“溶解”這對(duì)矛盾中，要促進(jìn)膜的“生長”速度，同時(shí)還要抑制膜的“溶解”速度。促進(jìn)膜的“生長”速度的措施一般是提高陽極氧化的電壓，以加快陽極反應(yīng)，使膜層迅速生成。另外，降低槽液溫度，降低槽液的硫酸濃度，這都會(huì)抑制膜的“溶解”速度。但是過度提高陽極氧化的電壓，會(huì)造成陽極氧化膜的電擊穿故障，燒損零件，造成零件報(bào)廢(Al2O3的陽極氧化膜層具有高絕緣性)。槽液中硫酸濃度過低，雖然降低了膜層的溶解速度，但溶液的導(dǎo)電性也會(huì)隨之降低，且還會(huì)降低陽極的反應(yīng)速度，抑制膜層的生成。降低槽液的溫度是一個(gè)較好的方法，它能夠降低硫酸溶液對(duì)膜層的溶解速度，但由于受制冷設(shè)備的制約，受到一定的限制［7-9］。

本研究課題對(duì)三種不同的材料，摸索篩選出在同一種溶液中，用一個(gè)電源，只是變換電源的輸出方式和其它工藝參數(shù)，就能獲得符合它們各自標(biāo)準(zhǔn)要求的硬質(zhì)陽極氧化膜的工藝方法。

1.2 工藝方案

1.2.1 工藝流程

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝流程如下:

產(chǎn)品驗(yàn)收→有機(jī)溶劑除油→裝掛絕緣→化學(xué)除油→流動(dòng)熱水洗→流動(dòng)冷水洗→鉻酸和硫酸混合溶液酸洗→冷水逆流水洗→硬質(zhì)陽極氧化→流動(dòng)冷水洗→干燥→卸卡→檢驗(yàn)。

1.2.2 硬質(zhì)陽極氧化工藝參數(shù)

為使三種不同的鋁合金材料，能在同一種陽極氧化槽液中進(jìn)行生產(chǎn)，減少生產(chǎn)線上同時(shí)有多個(gè)硬質(zhì)陽極氧化槽和整流電源，節(jié)約投資和降低生產(chǎn)費(fèi)用、降低管理成本，同時(shí)又能滿足在三種不同的鋁合金材料的零件上獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)陽極氧化膜，根據(jù)ZL114A、2A12、7075三種不同的鋁合金材料的標(biāo)準(zhǔn)(表1)和鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)HB5057-93及對(duì)零件具體的質(zhì)量要求(表2)，確定了硬質(zhì)陽極氧化槽液，通過工藝實(shí)驗(yàn)進(jìn)行篩選，優(yōu)選出最佳的工藝配方。

表1 三種鋁合金材料的組成

表2 硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

在硬質(zhì)陽極氧化溫度的選擇和確定上，由于2A12的材料含銅量較高，達(dá)到3.8%～4.9%，而膜層硬度要求達(dá)到≥250HV，所以要選用較低的硬質(zhì)陽極氧化溫度，結(jié)合生產(chǎn)線上現(xiàn)有的制冷設(shè)備，初步將溫度定在(-2～-6)℃。

在電源上，利用生產(chǎn)線一臺(tái)多用整流器進(jìn)行試驗(yàn)，電源為多波型全自動(dòng)脈沖電源(型號(hào)為KMF)，采用直流、直流疊加脈沖、脈沖等工藝進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)選出最佳的工藝參數(shù)。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 硬質(zhì)陽極氧化工藝參數(shù)確定

2.1.1 7075鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝與參數(shù)的確定

從表1中可知7075鋁合金其銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2% ～2.0%，相對(duì)較高，而銅含量對(duì)其生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的影響是隨著銅含量的升高，所生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度是降低的，當(dāng)w(Cu)≥4%時(shí)，使用普通的硬質(zhì)陽極氧化電源所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度和厚度是達(dá)不到要求的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，獲得了合格的硬質(zhì)陽極氧化膜層。

7075鋁合金硬質(zhì)陽極氧化槽液成分與工藝參數(shù):

槽液組成:

起始電流密度0.5A/dm2，經(jīng)過17min～20min逐漸升至2.5～25A/dm2，然后根據(jù)所需的膜層厚度，確定所保持的時(shí)間，要得到60～80μm的膜層厚度，保持時(shí)間為70～90min，θ為-2～-6℃。

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 7075鋁合金硬質(zhì)陽極氧化試驗(yàn)結(jié)果

從試件外觀質(zhì)量、厚度測(cè)量、檢驗(yàn)報(bào)告得出，該工藝所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜達(dá)到了硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 ZL114A鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝與參數(shù)的確定

從表1中可知，ZL114A鋁合金中 w(Cu)≥0.1%，w(Si)為 6.5% ～ 7.5% ，因?yàn)楣璧拇嬖跇O大地降低了零件的導(dǎo)電性，進(jìn)而影響硬質(zhì)陽極氧化膜的生成，使用普通的硬質(zhì)陽極氧化電源所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度和厚度是達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的。采用脈沖電源進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了合格的、滿足硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)陽極氧化膜層，在實(shí)驗(yàn)中采用殼體零件直接進(jìn)行。

ZL114A鋁合金硬質(zhì)陽極氧化槽液成分與工藝方法:氧化槽液成分同 2.1.1。

電源:t通∶t斷=3 ∶1，脈沖頻率:50Hz，起始平均電流密度0.5A/dm2，經(jīng)過17～20min持續(xù)升至2 ～2.5A/dm2，然后根據(jù)所需的膜層厚度，確定所保持的時(shí)間，要得到60～80μm的膜層厚度，保持時(shí)間為80～100min。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 ZL114A鋁合金硬質(zhì)陽極氧化試驗(yàn)結(jié)果

從試件外觀質(zhì)量、厚度測(cè)量、檢驗(yàn)報(bào)告得出，該工藝所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜達(dá)到了硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 2A12鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝試驗(yàn)與參數(shù)的確定

從表1中2A12鋁合金可知，w(Cu)為3.8% ～4.9%，含銅相對(duì)量較高，而銅含量對(duì)其生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的影響是關(guān)鍵性的，隨著銅含量的升高，所生成的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度是降低的，當(dāng)w(Cu)≥4%時(shí)，使用普通的硬質(zhì)陽極氧化電源所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜的硬度和厚度是達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的。根據(jù)實(shí)際情況和所掌握的知識(shí)，采用脈沖電源進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了合格的、滿足硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)陽極氧化膜層。

2A12鋁合金硬質(zhì)陽極氧化槽液成分與2.1.1相同，其工藝條件為:

電源:t通∶t斷=3 ∶1，脈沖頻率:50Hz，起始平均電流密度 0.5A/dm2，經(jīng)過 20min持續(xù)升至 2～2.5A/dm2，然后根據(jù)所需的膜層厚度，確定所保持的時(shí)間，要得到60～80 μm的膜層厚度，保持時(shí)間為70～90min，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 2A12鋁合金硬質(zhì)陽極氧化試驗(yàn)結(jié)果

從試件外觀質(zhì)量、厚度測(cè)量、檢驗(yàn)報(bào)告得出，該工藝所獲得的硬質(zhì)陽極氧化膜達(dá)到了硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 耐蝕性試驗(yàn)

以上試驗(yàn)結(jié)果均已滿足外觀、厚度和硬度要求，但需要對(duì)其耐蝕性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。對(duì)試件按GJB150進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，合格時(shí)間為336h。

試驗(yàn)結(jié)果:三種材料的試片分別在98、132和112 h出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)。

由于耐蝕性未達(dá)到要求，在原有工藝流程的基礎(chǔ)上，增加了填充工序，填充溶液組成及操作條件如下:

經(jīng)填充后，三種材料的試片在經(jīng)過500 h鹽霧試驗(yàn)后，試片表面無任何腐蝕情況，膜層硬度及耐磨性有輕微下降，但均符合要求。

2.3 工藝流程

試驗(yàn)過程中，對(duì)3種不同材料，進(jìn)行了多個(gè)批次的實(shí)驗(yàn)，歸納為可行的工藝流程如下:

產(chǎn)品驗(yàn)收→有機(jī)溶劑除油→裝掛絕緣→化學(xué)除油→流動(dòng)熱水洗→流動(dòng)冷水洗→鉻硫酸酸洗→冷水逆流水洗→硬質(zhì)陽極氧化→流動(dòng)冷水洗→填充→流動(dòng)冷水洗→干燥→卸卡→檢驗(yàn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)3種不同鋁合金材料的硬質(zhì)陽極氧化工藝實(shí)驗(yàn)與試生產(chǎn)，獲得了符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的硬質(zhì)陽極氧化膜層，根據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)和測(cè)量報(bào)告，確定了硬質(zhì)陽極氧化工藝配方及工藝方法，達(dá)到了攻關(guān)的目的。該項(xiàng)目的成功，使鋁合金硬質(zhì)陽極氧化加工技術(shù)，尤其是脈沖電源硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)上有較大的突破，填補(bǔ)了技術(shù)空白。所積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)于今后其它鋁合金材料的硬質(zhì)陽極氧化生產(chǎn)和改進(jìn)有著重要參考價(jià)值。

［1］劉愛民，李榮強(qiáng)，吳厚昌.鋁合金硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)的現(xiàn)代進(jìn)展［J］.材料保護(hù)，1997，(11):12-14.

［2］李捷，畢艷.鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)的發(fā)展［J］.表面工程資訊，2007，(01):21-23.

［3］任銳，賀子凱.鋁硬質(zhì)陽極氧化新工藝的研究［J］.電鍍與涂飾，2003，(04):7-10.

［4］呂吉祥.輕金屬的硬質(zhì)陽極氧化［J］.輕金屬，1994，(03):15-18.

［5］莫偉言，石玉龍.2A12鋁合金常溫脈沖硬質(zhì)陽極氧化電解液配方優(yōu)化［J］.電鍍與涂飾，2010，(09):23-25.

［6］李華.硬質(zhì)陽極氧化膜層厚度控制［J］.電鍍與環(huán)保，1997，(05):11-13.

［7］陸興元.2Al2硬鋁合金零件硬質(zhì)陽極氧化工藝的改進(jìn)［J］.材料保護(hù)，2001，(05):15-17.

［8］陳德寶.鋁合金硬質(zhì)陽極氧化實(shí)踐［J］.材料保護(hù)，1997，(07):9-12.

［9］鄭瑞庭.鋁及鋁合金陽極氧化工藝問題［J］.腐蝕與防護(hù)，2000，(12):24-26.

Hard Anodizing Technology of Aluminum Alloy

ZHANG Sheng-bao，SHI Yu-ying，ZHANG Xu
(Harbin Dongan engine group corporation Ltd.，Harbin 150066，China)

The electrolyte composition，technological process and parameters satisfying simultaneously the hard anodizing of three aluminum alloys were determined by a large number of experiments.The results showed that a dense and uniform hard anodizing film with higher corrosion and wear resistances could be formed on aluminum alloy by selecting suitable process parameters.

hard anodizing;pulse;hardness

TG174.45

A

1001-3849(2011)08-0043-04

2011-05-30

2011-06-23