铝合金材质硬质阳极氧化工艺方法的应用分析

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100机械 设 计 与制 造Machinery Design & Manufacture第 l0期2013年 l0月铝合金材质硬质阳极氧化工艺方法的应用分析曹文琴 ，朱海燕 ，向 毅。

(1．华东交通大学 机电学院，江西 南昌 330013；2．华东交通大学 轨道交通学院，江西 南昌 330013；3．美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528301)摘 要：以硬质阳极氧化工艺方法改善铝合金材料表面性能为目的，首先概述了硬质阳极氧化工艺的发展概况，然后比较详细地分析了铝合金硬质阳极氧化膜的结构成分、特点、封闭后处理；最后研究了铝合金材质在硬质阳极氧化时的需考虑的影响因素、工艺要求和性能要求，并以铝合金液压阀岛的零件为例对其进行硬质阳极氧化的工艺分析，得出了具体的硬质阳极氧化的工艺流程，这对铝合金材质的其它零件应用硬质阳极氧4~_r-艺方法提供了有意义的参考价值。

关键词：铝合金；硬质阳极氧化；氧化膜；工艺中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0100—03Application Analysis of the Method of Hard Anodizing Processfor Aluminum Aloy MaterialsCA0 W en—qin1．ZHU Hai—yan2，XIANG Yi(1．School of Mechanical and Electrical Engineering，East China Jiaotong University，Jiangxi Nanchang 330013，China；2.

School of Railway Tracks and Transportation，East China Jiaotong University，Jiangxi Nanchang 330013，China；3．MideaRefrigeration Equipment Co．，Ltd．，Guangdong Foshan 528301，China)Abstract：A purpose ofimprovingsurface prosperities ofaluminum alloy material with the anodizingprocess was discussed here.

Firstly，the general development of hard anodizing process Was summarized，and then detailed respectively analyzed thestructural components，characteristics and sealed up afterprocessing ofthe hard anodizingprocessfor aluminum alloy．Finally，the impact factors，process requirements and pe~rmance requirements of the hard anodizing process for aluminummaterialwere also researchedin detaiL And made theparts ofaluminum alloyhydraulic valve island珊吼 example to analyze itshard anodizingprocess，and obtained the special technological process of hard anodizing oxidation．This analysis provides ameaningful reference valuefor the application ofother aluminum alloy materialparts in hard anodic oxidationprocess.

Key W ords：Aluminum Ally；HardAnodizing；LayerofOxide；Process1铝合金硬质阳极氧化工艺的发展在工程运用中，铝合金材料是一类仅次于钢铁材料而被机械工业等广泛采用的金属材料，其力学性能最弱点之一就质软，但它拥有质量轻的优点。航天航空等国防工业为了适应高强度、耐腐蚀、轻量化的要求，铝合金材料的应用越来越广。为提高铝合金材料的硬度，学者们已对铝合金材料硬度改善进行研究，可将其归为两大类ll：一类是以传统的硬质阳极氧化技术；另一类是利用现代制膜工艺直接在铝质材料表面成膜的技术。

通常将膜层厚度在 20 m以上，硬度(HV)在 3500以上的膜层称为硬质阳极氧化膜口。硬质阳极氧化工艺是将氧化膜的硬度和耐磨性作为其主要特征的一种工艺。铝合金的硬质阳极氧化工艺起源于二战期间并在五十年代后广泛应用于众多领域。

目前广泛使用的典型工艺有l3l：(1)在硫酸电解液中进行的硬质阳极氧化工艺；(2)在有机酸电解液中进行的硬质阳极氧化工艺；(3)在混合电解液中进行的硬质阳极氧化工艺等。而最近创新技术可归结如下：(1)添加剂的使用；(2)散热条件的改进(如MEAA法，即“微空气的搅拌”)；(3)电气条件的改进(如恒功率硬质阳极氧化工艺的应用)等。运用添加剂的特殊硬质阳极氧化处理和没有添加剂的普通硬质阳极氧化处理各自所生成的氧化膜的对比表，如表 1所示。

表 1氧化膜的性能对比表Tab．1 Performance Comparison Table of Oxide FiIm来稿 日期：2012一l2—15作者简介：曹文琴，(1978一)，女，浙江萧山人，研究生学历，讲师，主要研究方向：机械电子、工程管理第10期 曹文琴等：铝合金材质硬质阳极氧化工艺方法的应用分析 l012铝合金硬质阳极氧化膜的结构成分铝合金硬质阳极氧化膜的生成是两种不同化学反应同时进行的结果。一种是铝与阳极析出的氧进行作用生成Al：O。的电化学反应；另一种是电解液对 Al：O，不断地溶解的化学反应 。只有当氧化膜的生长速度大于溶解速度时，氧化膜才能顺利地长大并保持一定厚度，而且随着铝合金阳极氧化电解液的种类不同，可以得到阻挡型的氧化膜和多孔型的氧化膜。如果在含有硼酸一硼酸钠混合 pH值为(5～7)的水溶液中和在马来酸或乙二醇等水溶液中进行阳极氧化时，能得到阻挡型的氧化膜。但由于电解液溶解氧化膜的能力较差，故会在铝表面上形成致密而薄、厚度为(0．014)．06)pin的纯 Al 膜。

膜硬度高，绝缘性好，称为阻挡层。铝在硫酸、铬酸、草酸等酸性溶液中阳极氧化时，可得到多孔质型的氧化膜。多孔质型氧化膜也称为复合氧化膜，由两层膜组成。靠基体铝的一层叫阻挡层，外面的一层叫多孔质层[51。

3铝合金硬质阳极氧化膜特点铝合金硬质阳极氧化膜具有以下特点：(1)提高涂层结合力：紧密结合的阳极氧化膜对大多数涂层属于化学活性表面，为后面的表面处理提供了极好的基底。(2)提高抗腐蚀特陛：氧化膜作为腐蚀性介质的阻挡层，可防止大气、酸、碱等的渗透，保护铝合金机体，提高其抗腐蚀性能。(3)提高硬度特性：氧化膜厚度为(25～100)li,m，并具有很高的硬度，能满足工况对耐磨性的要求。(4)具备绝缘性能：氧化膜是电绝缘性的，根据基体及其膜层的厚度 ，其击穿电压范围为几伏到数千伏。(5)提高耐高温特性：氧化膜是热的不良导体，在短时间内能承受 1500~C的高温。(6)改善表面装饰特性：氧化膜具有一定的光泽和耐磨性 ，大部分建筑用铝合金均以阳极氧化作为最终表面处理工艺，而且还可通过不同工艺可得到各种彩色氧化膜 。

4铝合金阳极氧化膜的封闭后处理铝合金阳极氧化膜是一种具有蜂窝状结构的多孔膜，其微孔数量达(4~77)xl0 "q'／cm 。这使得氧化膜的表面具有极高的化学活性，空气中或者使用环境中的腐蚀介质或污染物极易被吸入膜孔内，造成铝合金阳极氧化膜抗腐蚀和污染能力较差，防护效果不良。氧化膜的封闭实际上就是封闭氧化膜的微孑L，降低其表面活性，因此也称封闭孔处理。

封闭方法主要采用较为环保的水合封闭法，水合封闭法是使氧化膜中的无水氧化铝在有高温度热水或水蒸气中转变为单水合氧化铝(A1203"H20)，其体积约增大30％，从而封闭膜孔。

水合封闭法有高压蒸汽封闭和沸水封闭两种方法，二者的工艺规范，如表 2所示。高压蒸汽封闭效果比沸水好，主要反应在封闭速度快，封闭后的氧化膜耐腐蚀性好，而且封闭质量稳定，更重要的是在封闭染色氧化膜时不会出现色流现象 ，故特适合染色氧化膜的封闭处理。高压蒸汽封闭的最大缺点是需要高压蒸汽设备，生产成本很高，且不能连续生产，因此只在特殊情况下使用。

而沸水封闭则恰好相反，因其成本相对较低，操作方便，是一种最普遍采用的封闭方法171。

表 2高压蒸汽封闭工艺和沸水封闭工艺规范比较Tab．2 Comparison Between the High PressureSteam Sealing Process and the Boiling WaterSealing Process Specification高压蒸汽封闭工艺规范 沸水封闭工艺规范蒸汽压力：(1-3)xl05Pa 封闭用水：去离子水或蒸馏水；pH：5．5～6．5蒸汽温度：(100～l10)oC 沸水温度：(95～98)℃时间：20-30(mins) 时间：每 lp,m厚的氧化膜约需 2～3((min))5铝合金阳极氧化工艺条件及影响因素5．1电解液中硫酸的含量在硫酸硬质阳极氧化工艺中，一般而言，溶液中硫酸的含量越低，氧化膜的硬度就越高。但对于含铜量高的铝合金(如LY12)则不宜采用低浓度电解液，否则容易导致零件烧毁 ，因此电解液还应根据材质进行选择。在混合酸硬质阳极氧化工艺中，加入有机酸的目的是提高氧化温度，降低生产难度。

5_2电解液温度一 般情况下，在工艺规定范围内，随着温度的降低，膜层的硬度和耐磨性都将逐步提高。为了得到高质量的氧化膜，溶液在氧化工程中，温度的波动应尽量小，最好控制在±2℃范围内。为了控制电解液温度在极佳范围内，铝合金阳极氧化通常需要在电解槽内壁铺设蛇行冷却管等降温设备。

5．3 电流密度增大电流密度可以提高氧化膜生长速度，缩短获得所需膜厚的时间，从而提高生产效率。但是当电流密度升高到一定的极限值后，却会得到相反的结果，因为过高的电流密度会加大氧化膜孔隙内的热效应，促使氧化膜融解加快。当然，过低的电流密度也不行，它会大幅降低氧化膜的生长速度。实践表明，电流密度控制在(0．8～2．5)A／dm 范围较好。并且氧化过程中，电流密度波动越小越好。氧化初始阶段，应以在一定时间段内(0．5～2(min))逐步增大电流密度至规定值的方式实施生产操作。

5．4氧化时间氧化时间应根据电解液的硫酸浓度、电解液温度、电流密度和所需的氧化膜厚度进行选择。在同一电解槽液中，电解液温度越低，电流密度越高，则氧化膜生长速度就越快，为获得规定氧化膜厚度的氧化时间就越短，反之亦然。在氧化的初始阶段，氧化膜厚度的生长与氧化时间几乎成直线上升关系，但随着时间的延长，氧化膜的增厚会逐渐减慢，最终趋于停止，一般氧化时间不超过 60(min o5_5合金成分不同组织成分的铝合金，氧化膜的外观上存在很大的差别。

铝的纯度越高，越能得到无色透明且光亮的装饰性氧化膜，反之，合金含量越高，氧化膜的透明度和光亮越低 ，而且氧化膜抗腐蚀能力越差。铝合金含铜或含硅量较高，则阳极氧化就变得较为困难。铸造铝合金因其组织疏松、多微孔缺陷、组织不均等因素，阳极氧化需特别细心 ，否则易产生烧损。

6铝合金零件阳极氧化的工艺要求由于硬质阳极氧化工艺固有的一些特点，对阳极氧化的铝合金零件有以下要求。

6．1表面粗糙度硬质阳极氧化处理通常会使铝合金零部件的表面粗糙度增102 机械 设 计 与制造No．100ct．2Ol3大(1 2)级，实际在设计铝合金零部件的尺寸时对此应给以考虑，否则可能导致零件的精度不够造成运作失效。

6-2倒圆角零件如有夹角、锐边和毛刺等尖突部分，易使电流集中，局部温度升高，导致零件烧损。因此在氧化之前应将这些尖突部分进行倒圆角处理，半径不应小于 0．5mm。

6．3局部保护要求只在工件表面的局部进行硬质阳极氧化处理时，应将不需硬质阳极氧化处理的部位进行绝缘保护。可采取喷涂或刷涂的方法涂覆于要绝缘保护的表面。

6．4尺寸余量铝合金零件经硬质阳极氧化后会使其尺寸增大，因此，零件在阳极氧化之前的加工工艺中要给出一定的加工余量，以使其经氧化后尺寸达到规定的要求。

7铝合金材质硬质阳极氧化性能要求由于铝合金硬质阳极氧化膜作为保护层具有较高的抗腐蚀性能，高的表面硬度，低成本等优点。但由于铝质材质的差异，就有可能得到厚度均匀或不均匀的氧化膜。而材质不同主要为合金成分和状态的不同。通常，变形铝合金的阳极氧化膜性能优于铸造铝合金，特别是在硬质阳极氧化的情况下，这是因为变形铝合金的成分较为均匀，微孔缺陷较少。因此，选用铝合金基体材质应满足：(1)铝合金本身耐蚀性较好；(2)铝合金上要能生成具有足够厚度的氧化膜，保证其耐蚀性；(3)铝合金上生成的氧化膜要厚度均匀，缺陷少，且具有很高的硬度。

8铝合金零件硬质阳极氧化工艺实例分析下面以铝合金液压阀岛硬质阳极氧化工艺为例进行分析，该阀岛的铝合金材料为LY1 1-GB3192—32。将已完成机加工的铝合金液压阀岛的各零部件准备好，其阳极氧化工艺流程图，如图1所示。

图 1铝合金阀岛零部件硬质阳极氧化工艺流程图Fig．1 The Hard Anodic Oxidation Process flow Diagramof Aluminum Alloy Valve Island Parts8．1预处理预处理在铝合金阳极氧化中的重要步骤，它影响氧化膜表面形貌和质量，如膜层的均匀性和表面颜色的一致性。预处理的主要目的是清洗掉铝合金材质表面的杂质、油污、残屑等污物，并去除材料表面的天然氧化膜，使表面光亮。阳极氧化前的预处理一 般工业上常用的化学方法，主要有以下有两种：(1)除油、水洗、中和、水洗、化学抛光或电解抛光、水洗。

(2)除油、水洗、酸洗、水洗。

8．2阳极氧化处理工艺所使用的阳极氧化工艺是常温脉冲硬质阳极氧化工艺，所使用的电解液是以硫酸为基并加入添加剂的代电解液。其与普通硬质阳极氧化工艺相比有如下特点：(1)它改变了传统硬质阳极氧化工艺只能在低温下实施，实现了在室温下进行，并也改善了工作条件；(2)使用脉冲叠加直流电源，降低了工作电压，可用较高的电流密度，提高了工艺温度，并赋予了氧化膜一些优异的性能；(3)添加剂能改变阳极氧化过程中化学和电化学行为，降低电解液对氧化膜的溶解速度，提高氧化膜的生长速度。阳极氧化工艺中所采用的电解液配方如下：0)H2SO,：90mFL；~)H2C204：12o~；~A12(sO4)3·18H2O：15g／L；④添加剂 1：70ml／L；⑤添加剂2：200g／L；⑥纯水搅拌均匀。

8．3后处理阳极氧化膜的后处理通常是在重金属离子封孑L液、沸水或蒸汽在中进行。本例中选用沸水进行封闭处理。因为用沸水进行后处理对氧化膜性能的影响主要表现在其硬度的影响上 ，而且比较环保，有利于改善工作环境。

8．4检验最后一道工序是对阳极氧化膜的各项质量参数指标进行检验，其中最主要的是对氧化膜的厚度、硬度和表面粗糙度进行检验，如果有缺陷比较严重的氧化膜则要进行修复或报废处理。

9小结对用于改善铝合金材料表面性能的硬质阳极氧化工艺进行了较为详细的介绍和分析；分析了铝合金硬质阳极氧化膜的结构成分、特点、封闭后处理，并提出了对进行硬质阳极氧化的铝合金材质在硬质阳极氧化加工处理时的影响因素、工艺要求和性能要求。并以铝合金液压阀岛为实例，提出了其具体的硬质阳极氧化的工艺流程。

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