羅潤娟，張一鳴，趙 振，王會玲,劉天澤

(1. 西安微電機(jī)研究所有限公司，西安 710100 ；2. 長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710018)

0 引 言

鋁合金材料由于其優(yōu)良特性廣泛應(yīng)用于航空、航天的各類機(jī)殼、端蓋、插座等各類零件。鋁合金零件的表面一般采用陽極氧化處理，增加各零件表面的耐蝕性、耐曬性、耐磨性等。目前各大工廠、單位常采用硫酸陽極氧化對鋁合金表面進(jìn)行處理[1]。鋁合金硫酸陽極氧化后出現(xiàn)的一系列問題，經(jīng)常會影響產(chǎn)品的質(zhì)量及正常交付。本文針對鋁合金零件硫酸陽極氧化后表面出現(xiàn)的點(diǎn)蝕問題進(jìn)行分析研究[2]。

1 概 述

某批電機(jī)組件用端蓋組件在96小時穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)后，進(jìn)行常規(guī)拆解。筆者發(fā)現(xiàn)組成端蓋組件的部分鋁合金零件內(nèi)孔及表面出現(xiàn)不同程度的點(diǎn)蝕(如圖1所示)。該電機(jī)端蓋組件各零件均為鋁合金2A12材料，表面經(jīng)硫酸陽極氧化處理呈灰色。

圖1 端蓋組件件發(fā)生點(diǎn)蝕

2 故障件理化分析

對故障件銹蝕處取樣進(jìn)行了電子顯微分析及組織成分的能譜分析,如圖2所示。

圖2 電子顯微圖

查資料得知，正常陽極氧化膜的主要元素為氧和鋁，還有硫。氧來源于氧化過程中水的電解，鋁來源于鋁基體，硫?yàn)殡娊庖褐械牧蛩岣x子(其在氧化膜中的含量一般小于15%)[3]。上圖中除了正常的陽極氧化膜元素成分外，還有雜質(zhì)碳元素及異常的氯元素。碳主要來自電解液中的雜質(zhì)，異常元素氯元素，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)8.6%。氯離子為還原性陰離子吸附在陽極氧化膜上，取代了正常陽極氧化膜三氧化二鋁中的氧離子，從而破壞陽極氧化膜的正常結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低了陽極氧化膜的防護(hù)能力。

3 生產(chǎn)過程復(fù)查、分析

鋁合金零件陽極氧化表面后發(fā)生點(diǎn)蝕，與零件的基材、機(jī)械加工過程、陽極氧化過程及陽極氧化后的封閉措施、外來離子氯離子(由于氯離子直徑較小，故其滲透力較強(qiáng)，易吸附在鋁合金基體上，誘發(fā)并促進(jìn)鋁合金零件的點(diǎn)蝕。)等腐蝕介質(zhì)均有關(guān)系。為進(jìn)一步確認(rèn)問題發(fā)生原因，對該批產(chǎn)品發(fā)生問題的零件質(zhì)量控制情況進(jìn)行了如下追溯、分析。

3.1 材料缺陷

鋁合金基材的成分對陽極氧化過程生成的陽極氧化膜的外觀和防護(hù)性能有很大影響。

鋁合金2A12為鋁銅合金，其組成成分除鋁元素外，其它元素主要為銅、鎂、錳、硅、鐵等。復(fù)查該批次電機(jī)端蓋組件各零件的加工周轉(zhuǎn)卡，該批次零件材料的檢驗(yàn)批號均為同一批次材料。檢查對應(yīng)批次的材料檢驗(yàn)報告單，該材料檢驗(yàn)依據(jù)《鋁及鋁合金棒材GB/T3191-2010》規(guī)定的要求進(jìn)行檢驗(yàn)。該國標(biāo)規(guī)定2A12鋁材中的其它元素含量百分比如下：Cu：3.8-4.9；Mg：1.2-1.8；Mn：0.3-0.9；Si：≤0.5；Fe：≤0.5。材料檢驗(yàn)報告單中各材料元素百分比含量實(shí)際檢測結(jié)果如下：Cu：4；Mg：1.49；Mn：0.61；Si：0.058；Fe：0.16。材料各元素檢驗(yàn)結(jié)果合格。

因此材料缺陷可以排除。

3.2 機(jī)械加工時精加工切削液腐蝕

鋁合金工件在精切削加工時，為了保證工件表面的光潔度及尺寸精度要求，一般均使用切削液進(jìn)行輔助加工，便于工件表面冷卻和潤滑，從而保證工件加工質(zhì)量。切削液濃度及PH值不合適，也容易造成工件表面腐蝕，陽極氧化后工件表面易出現(xiàn)花斑。

為了避免切削液濃度及PH值不合適對鋁合金工件表面產(chǎn)生腐蝕，需要對二者進(jìn)行控制。

我單位編制的《水溶性切削液使用規(guī)程》規(guī)定精加工機(jī)床所使用切削液的PH值，要求操作者每三天用PH試紙檢測一次，正常值應(yīng)保證在8.5～9.6之間。加工鋁合金等有色金屬前，用濃度檢測儀和PH試紙檢測當(dāng)前的切削液濃度，如果達(dá)不到上述標(biāo)準(zhǔn)要求，必須按上述規(guī)程調(diào)整溶液的濃度要求再使用。要求操作者嚴(yán)格按以上文件規(guī)定進(jìn)行操作并記錄。

因此精加工切削液腐蝕因素可以排除。

3.3 陽極氧化電解液濃度超標(biāo)影響

我單位編制的《LY系列硬鋁合金陽極氧化工藝守則》規(guī)定每月對陽極氧化電解液槽中的電解液進(jìn)行溶液濃度化驗(yàn)。具體電解液濃度應(yīng)滿足上述工藝守則的要求:硫酸(180～200)g/L；草酸(15～20)g/L;鋁離子≤20mg/L。查詢該批次所有故障件的加工周轉(zhuǎn)卡，追溯該批次零件陽極氧化的加工周期。復(fù)查該批次零件電解液在上述加工周期內(nèi)的化學(xué)分析報告單，溶液濃度均合格，滿足陽極氧化要求。因此陽極氧化電解液濃度超標(biāo)因素可以排除。

3.4 陽極氧化過程工藝參數(shù)影響

陽極氧化過程中電解液溫度、電流密度、氧化時間等參數(shù)與陽極氧化膜的正常生成密切相關(guān)。

陽極氧化過程中電解液溫度較低不易形成氧化膜；電解液溫度超過30℃，會造成氧化膜封孔困難，也易起封孔“粉霜”。當(dāng)電解液溫度恒定時，陽極電流密度過高，溫升劇烈，氧化膜也易疏松呈粉狀或砂粒狀；當(dāng)電解液溫度高且電流密度小時，膜層溶解快，生成的膜層薄，也易造成工件耐蝕性差。陽極氧化的時間長短與氧化膜膜厚也有一定關(guān)系。

按照我單位編制的《LY系列硬鋁合金陽極氧化工藝守則》規(guī)定的工藝參數(shù)詳見表1。復(fù)查相應(yīng)操作記錄，該批次零件對應(yīng)的操作記錄均符合工藝守則要求。因此陽極氧化過程未按工藝守則的工藝條件進(jìn)行操作的因素可以排除。

表1 陽極氧化工藝參數(shù)要求

3.5 掛具與工件接觸不良

鋁合金陽極氧化用的掛具，一般使用中等硬度鋁合金2A12。掛具每次在使用前，電鍍操作工均會在堿池、酸池中將掛具原有的氧化層退鍍，并檢查掛具保證其有充足的彈性。

由于鋁陽極氧化膜的絕緣性較好，所以鋁合金制件在陽極氧化前必須牢固的裝掛在通用或?qū)Ｓ脪炀呱希员ＷC良好的導(dǎo)電性。

陽極氧化時掛具與工件接觸不良，接觸面積過小，會使工件表面氧化膜厚度變薄或無氧化膜。對故障件的鍍層進(jìn)行檢測，實(shí)測其陽極氧化膜厚為0.018 mm～0.020 mm。滿足該產(chǎn)品圖紙、工藝要求的膜厚。

因此掛具與工件接觸不良導(dǎo)致氧化膜異常的因素可以排除。

3.6 封閉不當(dāng)

陽極氧化過程中在工件表面形成了氧化膜，該氧化膜是由阻擋層與多孔層組成。封閉處理是把陽極氧化過程形成的氧化膜多孔層的孔隙封閉，從而保證膜層具有良好的耐磨性、耐蝕性、耐候性、耐曬性和絕緣性。若封閉液的濃度、PH值、溫度和封閉時間不合適，就不能很好地封閉膜層孔隙，會使零件表面防銹功能大大降低，從而在零件表面產(chǎn)生銹蝕[1]。

陽極氧化工藝要求按照我單位編制的《LY系列硬鋁合金陽極氧化工藝守則》進(jìn)行封閉，封閉的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 封閉工藝參數(shù)要求

對該批次的電機(jī)端蓋組件各零件陽極氧化后的封閉過程進(jìn)行復(fù)查，發(fā)現(xiàn)該批次零件陽極氧化完成后，沒有進(jìn)行封閉處理。

故封閉不當(dāng)?shù)囊蛩夭豢膳懦?/p>

3.7 工藝文件不完善造成氯離子對陽極氧化防護(hù)性能的影響

3.7.1 零件機(jī)械加工過程中氯離子的影響

對故障件各零件的機(jī)械加工過程及工藝過程卡進(jìn)行復(fù)查，該電機(jī)端蓋組件各鋁合金零件在機(jī)加過程中均按照我單位編制的《水溶性切削液使用規(guī)程》要求使用自來水配制的冷卻液進(jìn)行冷卻，且加工完畢均使用自來水涮洗工件。切削液中氯離子及工人使用自來水涮洗工件的過程會導(dǎo)致自來水中的氯離子殘留在工件表面。

故障件各零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各種原因會導(dǎo)致加工周期較長。氯離子對鋁合金零件的侵蝕是一個長期的過程，應(yīng)加強(qiáng)工序間的防護(hù)并縮短機(jī)械加工過程到陽極氧化的時間。

3.7.2 零件陽極氧化過程中氯離子的影響

對工藝文件《LY系列硬鋁合金陽極氧化工藝守則》進(jìn)行復(fù)查，每月一次對陽極氧化電解液進(jìn)行檢查，工藝守則僅要求檢驗(yàn)電解液中的硫酸、草酸及鋁離子含量，沒有對電解液中的氯離子、銅離子、氟離子等影響陽極氧化膜異常的元素進(jìn)行檢測。

該工藝守則在陽極氧化前后也沒有措施避免沖洗水(沖洗水均為自來水)中的氯離子進(jìn)入電鍍液或封閉液中。

鋁合金零件陽極氧化前處理即工件堿洗、酸洗后，經(jīng)過溫水(自來水)沖洗、冷水(自來水)沖洗，未經(jīng)過蒸餾水或去離子水沖洗，直接放入陽極氧化溶液池中，故工件表面殘留的自來水中的氯離子會間接引入電鍍液中。

原陽極氧化各過程工藝流程如下：

有機(jī)溶劑除油→堿洗→溫水沖洗→冷水沖洗→酸洗→冷水沖洗→裝掛零件→陽極氧化→冷水沖洗→封閉→干燥→包裝工件→檢驗(yàn)

因此工藝文件不完善造成氯離子對陽極氧化防護(hù)性能的影響的因素不可排除。

4 問題定位

綜合上述復(fù)查、分析，該電機(jī)端蓋組件各鋁合金零件進(jìn)行陽極氧化處理時，機(jī)械加工過程、陽極氧化前處理過程工件表面的氯離子進(jìn)入氧化膜層，電鍍?nèi)藛T在零件完成陽極氧化后封閉不當(dāng)，從而導(dǎo)致膜層防銹能力變差，在該電機(jī)組件做完96小時穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)后，零件表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕。

5 采取的措施

針對以上故障原因，我們進(jìn)行了以下措施改進(jìn)：

5.1 零件的加工過程進(jìn)行防護(hù)。

完善鋁合金陽極氧化零件機(jī)械加工藝內(nèi)容，該連接器部件的所有鋁合金陽極氧化工件在機(jī)械加工完畢，使用氣槍清理干凈鐵屑，使用煤油清洗并使用油紙獨(dú)立包裹周轉(zhuǎn)。

5.2 零件的包裝、周轉(zhuǎn)過程進(jìn)行防護(hù)。

零件在機(jī)械加工完成后的清洗及包裝、檢驗(yàn)、陽極氧化各過程，禁止操作者裸手觸摸工件。陽極氧化完畢的工件采用無紡布獨(dú)立包裹。

5.3 陽極氧化各工藝過程完善

5.3.1 完善陽極氧化時各溶液液的檢測項目。陽極氧化電解液在檢查硫酸、草酸、氯離子濃度的基礎(chǔ)上，增加氯離子、銅離子、氟離子等的檢測。同時增加對酸洗液(硝酸及氯離子濃度)、堿洗液(氫氧化鈉、磷酸鈉、硅酸鈉及氯離子)各組成成分的檢測。

5.3.2 鋁合金零件陽極氧化前處理即工件酸洗出光后，再經(jīng)過冷水沖洗，必須經(jīng)過蒸餾水沖洗并淋洗，再放入電解液池中進(jìn)行陽極氧化。陽極氧化后的零件經(jīng)冷水沖洗后，也需要經(jīng)過蒸餾水沖洗并淋洗，再放入達(dá)到溫度要求的蒸餾水中進(jìn)行封閉。

改進(jìn)后的陽極氧化各過程工藝流程如下：

有機(jī)溶劑除油→裝掛零件→堿洗→溫水沖洗→冷水沖洗→酸洗→冷水沖洗→蒸餾水沖洗并淋洗→陽極氧化→冷水沖洗→蒸餾水沖洗并淋洗→封閉→干燥→包裝工件→檢驗(yàn)

5.3.3 對陽極氧化過程的工藝參數(shù)進(jìn)行了細(xì)化，嚴(yán)格控制電解液溫度范圍、電鍍時間范圍。具體如下：

陰極電流密度Dk=(1.0±0.2)A/dm2;

電解液溫度(槽溫)T=20±2℃;

電鍍時間t=(60±5)min

5.3.4 在陽極氧化過程中增加了使用無油空氣壓縮機(jī)對電解液的攪拌，使溶液溫度均勻，從而促使陽極氧化膜層的均勻性。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 驗(yàn)證方案一

筆者抽取與故障件同批次零件，該批零件已經(jīng)機(jī)械加工完畢且沒有陽極氧化。該狀態(tài)鋁合金零件作為樣件，按《LY系列硬鋁合金陽極氧化工藝守則》的原操作過程在原電解液池進(jìn)行陽極氧化。陽極氧化完畢后，不進(jìn)行封閉處理。

以上樣件陽極氧化后，進(jìn)行96小時穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)。零件濕熱試驗(yàn)完畢，出箱后對各零件表面及內(nèi)孔進(jìn)行觀察。發(fā)現(xiàn)各零件內(nèi)孔發(fā)生點(diǎn)蝕且點(diǎn)蝕狀態(tài)與故障件相同。

6.2 驗(yàn)證方案二

為了驗(yàn)證我們采取措施的有效性，我們又進(jìn)行了以下方案。

根據(jù)完善后的工藝試加工了一批鋁合金零件。各零件在每道工序的精加工完畢，使用氣槍清理鐵屑，再使用煤油清洗工件，并用干凈的煤油涮洗一遍，使用無紡布擦干凈后，用油紙包裹周轉(zhuǎn)。

該批零件加工完畢，按照完善后的陽極氧化工藝守則進(jìn)行陽極氧化及封閉處理。陽極氧化前，重新配制酸洗液(檢驗(yàn)項目見表3)、堿洗液(檢驗(yàn)項目見表4)、陽極氧化電解液(檢驗(yàn)項目見表5)，并且各溶液均取樣進(jìn)行送檢，各溶液濃度均滿足完善后的工藝守則濃度要求方可進(jìn)行陽極氧化操作。

表3 酸洗液檢驗(yàn)項目

表4 堿洗液檢驗(yàn)項目

表5 陽極氧化電解液檢驗(yàn)項目

工件進(jìn)入陽極氧化溶液池及封閉蒸餾水池前均需經(jīng)過蒸餾水沖洗并噴淋避免自來水中的氯離子進(jìn)入。

陽極氧化完畢，將該批零件放入濕熱箱進(jìn)行96小時穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)。出箱后，觀察各零件表面及內(nèi)孔均無點(diǎn)蝕。

7 結(jié) 語

本文根據(jù)故障現(xiàn)象，從零件的機(jī)械加工過程及鋁合金硫酸陽極氧化各過程對氯離子進(jìn)行控制，完善相關(guān)工藝文件及工藝守則、嚴(yán)格落實(shí)各工藝過程，有效解決了經(jīng)硫酸陽極氧化的鋁合金零件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)后零件表面發(fā)生點(diǎn)蝕的問題。