鋁合金硬質(zhì)陽極氧化燒蝕原因及應(yīng)對策略

1、鋁合金硬質(zhì)陽極氧化燒蝕原因及應(yīng)對策略摘要：針對硬鋁合金零件在硬質(zhì)陽極氧化過程中，容易發(fā)生燒蝕故障，導(dǎo)致零 件報廢率高的問題，通過分析燒蝕原因，研究硬質(zhì)陽極氧化過程中槽液溫度、濃 度、電流密度及合金成分的影響，明確改進(jìn)方向。采用脈沖電鍍電源，在硬質(zhì)陽 極氧化過程中，采用適宜的溫度范圍、合理的槽液濃度以及適當(dāng)提高電流密度， 通過調(diào)整頻率、占空比，采用間歇式供電模式等具體參數(shù)指標(biāo)，促使硬質(zhì)陽極 氧化過程中產(chǎn)生的焦耳熱和反應(yīng)熱能夠及時被槽液轉(zhuǎn)移，從根本上解決零件容易 燒蝕的問題。關(guān)鍵詞：硬質(zhì)陽極氧化、燒蝕、脈沖電源0引言鋁及鋁合金零件經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化處理后，在零件表面可以形成致密的 A12O3氧化物膜

2、層，提高零件的防護(hù)性能、裝飾效果和耐磨性能。一般來說，硬 質(zhì)陽極氧化在較低溫度溶液和較大的電流密度下生成的氧化膜致密而且硬度高。 但是，由于零件材料成分、槽液溫度、電壓、膜層厚度等因素的影響，特別容易 導(dǎo)致零件需要氧化的表面因局部電流過大，產(chǎn)生的熱量較多，反應(yīng)熱和焦耳熱散 失不良時，誘發(fā)零件氧化膜被電擊穿，零件局部破壞形成燒蝕故障。尤其是隨 著鋁合金中合金元素（特別是銅元素）含量的增加，更容易發(fā)生燒蝕故障，傳 統(tǒng)的直流硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)在工程應(yīng)用中存在工藝條件苛刻、成膜速度慢、燒蝕 率高、生產(chǎn)成本高等一系列問題。這就需要探討一種新的陽極氧化模式，從根本 上解決燒蝕故障，并提高零件表面氧化物膜層的

3、致密性。1燒蝕原因分析1.1硬質(zhì)陽極氧化原理鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化的原理：陰極反應(yīng)：4H+4e=2H2個陽極反應(yīng)：4OH-4e=2H2O+O2個，2A1+3O2=2A12O3另外，陽極反應(yīng)過程中，在形成氧氣前，可以出現(xiàn)氧原子狀態(tài)，原子狀態(tài)的 氧比分子狀態(tài)的氧更活潑，也更容易與鋁合金發(fā)生反應(yīng)：2A1+3OTA12O3另外，形成的A12O3處于硫酸水溶液中，也會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成相應(yīng)的溶 解過程：A12O3+6H+=2A13+3H2O從原理上看，隨著陽極氧化時間的延長，氧化膜的厚度增加，導(dǎo)電性能下降， 這就需要提高氧化的電流，隨著電流增大產(chǎn)生的熱量也將進(jìn)一步加大。如果產(chǎn)生 的熱量不能及時散逸，就為

4、燒蝕故障的發(fā)生奠定了條件。1.2燒蝕原因分析目前，針對鋁及鋁合金零件硬質(zhì)陽極氧化過程中出現(xiàn)的燒蝕故障，相關(guān)人 員進(jìn)行了研究，得出了由于陽極氧化時局部電流密度過大造成反應(yīng)熱和焦耳熱過 多，不能及時散逸，導(dǎo)致氧化膜層局部融解，從而出現(xiàn)“燒蝕。這是由于不能有 效散熱，造成嚴(yán)重的過熱狀態(tài)。也有研究人員認(rèn)為是反應(yīng)到一定階段后，膜層增 厚，電阻增加，隨著電壓的升高，膜孔的析氧量上升，同時產(chǎn)生大量的焦耳熱和 反應(yīng)熱，由于氧氣是不導(dǎo)電的，在高電壓下膜層熱量進(jìn)一步增加，達(dá)到一定程度 后就會引起氧的氣體放電，出現(xiàn)火花，使零件尖端電流集中處膜層首先破壞，導(dǎo) 致零件燒蝕發(fā)生。尤其是對于銅含量大于2.5%和硅含量大于7

5、%的鋁合金材料，隨著合金元素 含量提高，含銅鋁合金在強(qiáng)化時，晶粒邊緣會析出少量的CuA12或CuA12Mg2相， 因?yàn)檫@些加強(qiáng)相電化學(xué)活性大，氧化時極易成為電流聚集區(qū)，在該部位出現(xiàn)局部 大電流”，導(dǎo)致局部熱量過大、電流大使得膜層被擊穿。2影響因素探討2.1研究槽液濃度的影響電解液濃度對陽極氧化過程的影響，用硫酸溶液進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化時，當(dāng)濃 度低時，獲得的膜層硬度高。對于含銅量較高的鋁合金零件，由于合金中存在有 CuAl2金屬化合物，在氧化過程中溶解速率較快，易形成電流聚集中心而被擊穿， 所以對含銅量較高的硬鋁合金，應(yīng)采用較高濃度的硫酸電解液進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化。2.2研究溫度的影響電解液溫度對氧化

6、膜層的硬度和耐磨性有較大的影響，一般來講，溫度越低， 硬質(zhì)氧化膜層硬度高、耐磨性能好。由于在低溫情況下，電解液對膜層的溶解作 用明顯減弱，為了獲得耐磨性好、硬度高的膜層，應(yīng)嚴(yán)格控制槽液溫度，并控制 溫度變化不可超過2C。2.3研究電流密度的影響提高電流密度時，能夠加速氧化膜生成，同時縮短陽極氧化時間，縮短了膜 層受硫酸溶解的時間，提高膜層硬度和耐磨性。但是，當(dāng)電流密度過大時，氧化 時發(fā)熱量大增，使得陽極零件界面溫度過高，容易導(dǎo)致局部燒蝕，同時，溫度升 高將導(dǎo)致生產(chǎn)的氧化膜層溶解速率加快，降低氧化膜的硬度。反之，如果電流密 度過小，雖然氧化過程產(chǎn)生的發(fā)熱量減少，不容易出現(xiàn)燒蝕故障，同時要獲得 一

7、定厚度的氧化膜層，需要長時間的陽極氧化，使得生成的膜層與受硫酸溶液接 觸時間長，加大了溶解因素，會降低氧化膜層的硬度。2.4研究材料成分的影響合金元素的影響，尤其是銅含量大于2.5%和硅含量大于7%的鋁合金材料， 隨著合金元素含量提高，對硬質(zhì)陽極氧化膜層的質(zhì)量有較大的影響，主要表現(xiàn)在 膜層的均勻性和完整性的影響。對于硬鋁及部分鍛鋁合金，不適宜采用直流硬質(zhì) 陽極氧化的工藝。3應(yīng)對策略3.1提高電流密度從鋁合金零件燒蝕原因可以看出，鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化是一個動態(tài)平衡 的過程，增加電流密度有助于提高氧化膜的成膜速度，所有在陽極氧化過程中的 電流密度為3.54.5A/dm2，而傳統(tǒng)的直流陽極化電流密

8、度為22.5A/dm2，采用 脈沖硬質(zhì)陽極氧化，可以大幅度提高電流密度而不燒蝕，從而能夠降低氧化膜的 溶解，從而提高氧化膜生成速度，提高膜層硬度。3.2適宜的溫度范圍硬質(zhì)陽極氧化的電解液在5C的溫度下進(jìn)行，通過冷凍設(shè)備將溶液溫度降至 2C后，充分?jǐn)嚢枞芤?，確保溶液溫度均勻，并且在氧化過程中持續(xù)攪拌，及時 帶走零件氧化過程中產(chǎn)生的熱量，能夠有效避免燒蝕問題的發(fā)生。3.3選擇最佳槽液濃度常用陽極氧化溶液中硫酸的濃度為200250g/L，對于含銅量大于4%的鋁及 鋁合金硬質(zhì)陽極氧化溶液中硫酸的濃度為300350g/L，對于含銅量大于5%，硅 含量大于7%，或銅、硅含量總量大于8%，采用直流電源進(jìn)行硬

9、質(zhì)陽極氧化，得 不到滿意的膜層時，可采用交、直流疊加電源或脈沖電流進(jìn)行氧化，交、直流陽 極氧化法溶液中硫酸的濃度為240260g/L。從中可以發(fā)現(xiàn)，隨著含銅量的增加， 溶液中硫酸的含量是增加的，試驗(yàn)時，從低濃度開始進(jìn)行，逐步提高硫酸的濃度，以達(dá)到理想的效果。3.4脈沖硬質(zhì)陽極氧化脈沖硬質(zhì)陽極氧化通過調(diào)整波形、頻率、占空比和峰值電流等參數(shù)，在瞬間 給出很大的氧化電流，但因陽極氧化電流的非連續(xù)性，氧化產(chǎn)生的熱量可通過氧 化間隙由強(qiáng)烈攪拌而被槽液帶走，通過間歇式供電，使得陽極氧化過程中產(chǎn)生的 熱量能夠及時被槽液帶走，從而降低了發(fā)生燒蝕的概率。而且，間歇式的供電方 式，能夠使得零件表面的氣體及時逸出，降低氣體隔絕散熱的作用，從而也能夠 降低發(fā)生燒蝕的幾率。4總結(jié)依據(jù)鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝及鋁及鋁合金硬質(zhì)陽極氧化膜層質(zhì) 量檢驗(yàn)中規(guī)定，對于含銅量高的硬鋁合金，采用脈沖硬質(zhì)陽極氧化，能夠使得 鋁合金零件硬質(zhì)陽極氧化膜層外觀、硬度