鋁合金硬質陽極氧化的工藝研究

楊曼
新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第八地質大隊新疆阿克蘇地區 843000
摘要：鋁及其合金具有質輕、延展性好、可塑性強等優點，但其硬度低、耐磨性差，限制了其應用範圍的拓寬。而鋁合金經硬質陽極氧化處理所得到的氧化膜厚、硬度高、耐磨性好，且與基體結合牢固。因此，鋁合金硬質陽極化工藝作為一種能賦予鋁質零件特殊功能的有效手段，在鋁合金製品的表面防護技術上得到廣泛應用。鋁合金硬質陽極化就是鋁及其合金在電解液、特定的工藝及外加電流的作用下，在制品（陽極）上形成一層薄而緻密氧化膜的過程，能夠有效提高鋁及鋁合金的耐蝕性、耐磨性、耐候性、絕緣性及吸附性等。本文就鋁合金硬質陽極氧化工藝進行簡要分析。
關鍵詞：鋁合金；硬質；陽極；氧化；工藝
1硬質陽極氧化膜的形成機理
鋁合金硬質陽極氧化工藝是一種通過電解過程在鋁合金表面形成緻密、堅硬的氧化層的技術。在陽極氧化膜的製備過程中，鋁合金材料一般作為陽極，鉛板作為陰極，在特定的電解液中進行氧化還原反應。通過電場的作用，電解液中的水分子發生水解反應，放電產生具有強氧化能力的。同時含氧陰離子在電場的作用下向陽極材料表面轉移，陽極鋁合金材料失去電子生成Al3+離子，兩者結合生成緻密的氧化膜，並放出大量熱量。其電極反應可簡單描述為：
陽極反應：H2O-2e-→[O]+2H+
2Al+3[O]→Al2O3
陰極反應：2H++2e-→H2
實際上氧化膜的生長過程受很多因素的影響，反應機理也非常複雜。各國學者專家對氧化膜的形成機理進行了大量的研究，學術界普遍分為以下幾種觀點。
柯馬捷夫等認為，在外界電壓的作用下，陽極氧化過程中陽極的金屬鋁非常容易丟失電子變成Al3+離子，在水解的作用下逐漸生成Al(OH)3，持續的電壓使Al(OH)3在陽極聚集，短時間內便呈現過飽和態並析出Al(OH)3晶核，晶核長大，相互接觸脫水後形成緻密的氧化膜。黃齊松等認為氧化膜的生長可分為電化學反應和化學反應兩個過程，電化學反應過程有利於鋁與氧結合成Al2O3，宏觀上表現為氧化膜的生長。化學反應的過程可描述為膜層的溶解，電化學反應生成的氧化膜層在電解液的作用下與H+發生化學反應，逐漸溶解形成多孔層[1]。
2 鋁合金硬質陽極氧化的工藝
2.1 試驗內容
2.1.1 試驗材料
試驗用材料為7075-T6鋁合金，其尺寸為Φ100mm、厚3mm，呈圓柱狀。7075鋁合金材料的化學成分如表1所示。

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti
0.4	0.5	0.12~2.0	0.3	2.1~2.9	0.18~0.28	5.1~6.1	0.2

表1 試驗用7075鋁合金的化學成分（質量分數/%）
2.1.2 試驗設備及工藝流程
（1）設備
本次試驗所使用電源為KGFC-2000A/120V-PLC型硬質陽極氧化數控電源。本次試驗全部採用直流工藝，其最大電流為2000A，最大電壓為120V。高、低脈衝為30~32767ms，電壓高低比例0.1~1.0。
（2）工藝流程
鋁合金硬質陽極氧化工藝流程如下：脫脂→水洗→鹼蝕→水洗→出光→水洗→硬質陽極氧化→水洗→水洗→烘乾。
鋁合金硬質陽極氧化基礎工藝參數為：硫酸濃度150～350g/L、電流密度1～5A/dm2、溶液溫度-5~5℃、氧化時間30~90mim。以此工藝為基礎，根據膜層性能，優化7075鋁合金硬質氧化工藝。
2.1.3 氧化膜性能檢測
（1）硬度。執行GB/T19822-2005標準，採用維式顯微硬度計對7075鋁合金硬質氧化膜層硬度進行測試。（2）耐磨性。執行GB/T19822-2005TABER標準，使用TaberSTD270型耐磨測試儀對7075鋁合金硬質氧化膜耐磨性進行測試。（3）耐蝕性。執行GB/T10125（NSS試驗）標準，要求336h中性鹽霧試驗後，除夾具痕1.5mm以內或角落位置外，膜層表面不出現任何腐蝕點[2]。
2.2 結果分析
2.2.1 電解液濃度
7075鋁合金硬質陽極氧化電解液的主要成分為硫酸，其濃度大小對氧化膜性能起決定性作用。隨著硫酸濃度的不斷增加，膜層硬度呈線性上升趨勢，但膜層硬度會隨著硫酸濃度的持續增加而減小。其原因是，隨著硫酸濃度的提高，氧化膜的溶解作用加劇，膜層孔隙率隨之升高，變得鬆散，因此氧化膜硬度會降低。根據試驗結果，硫酸濃度定為250g/L。
2.2.2 電流密度
硬質陽極氧化生產過程中，適當提高電流密度可促進膜層的「生長」速度及性能，但過度提高電流密度會造成膜層溶解，甚至產生燒蝕缺陷，或直接報廢產品。因此，需合理控制電流密度。硬質氧化膜層硬度隨電流密度呈先增加後降低趨勢。當電流密度為2.0A/dm2時，膜層硬度可達329HV，電流密度高於2.0A/dm2時，膜層硬度開始降低[3]。這是由於較高的電流密度會釋放大量的熱，造成試樣局部過熱，使膜層局部溶解，膜層表面呈不均勻、疏鬆狀，從而降低膜層硬度。根據試驗結果，電流密度值定為1.5～2.0A/dm
2。
2.2.3 溶液溫度
隨著氧化溫度的升高，硬質氧化膜層硬度呈下降趨勢。這是由於硬質陽極氧化過程中會釋放大量的熱，溶液中硫酸對氧化膜的溶解作用隨溶液溫度的升高而逐漸加強，從而使氧化膜變得薄而疏鬆，導致膜層硬度降低。同時過高的溫度會在試樣表面引起熱量集中，產生較大的阻抗，從而使電壓升高，出現「燒蝕」缺陷。結合試驗結果及生產成本，最佳的溶液溫度為-2~2℃。
2.2.4 氧化時間
硬質氧化膜層硬度隨著氧化時間的增加呈先上升後下降趨勢，但下降趨勢緩慢。這是由於硬質陽極氧化工藝存在極限厚度，即膜厚不是無限增長的。氧化時間過長，成膜效率下降，會在試樣表面產生熱量，溶解局部膜層，表面硬度隨之下降。根據實驗結果，7075鋁合金硬質氧化工藝時間為60～65min。
2.3 結論
實驗優化出的7075鋁合金硬質陽極氧化最佳工藝為：硫酸濃度250g/L，電流密度1.5～2.0A/dm2，氧化溫度-2~2℃，氧化時間為60～65min。
按最佳工藝製得的7075硬質氧化試樣，其膜層厚度為42~51μm，膜層硬度可達400HV，Taber耐磨性≤18.8mg，336h中性鹽霧試驗無腐蝕現象[4]。
電流密度與氧化溫度對硬質氧化膜層的耐磨性能影響較大，低溫低電流密度的工藝下製備的硬質氧化膜摩擦係數普遍較小，有良好的耐磨性能。氧化時間對硬質陽極氧化膜層的耐磨性能影響較小。
結束語
總而言之，硬質陽極氧化使鋁合金表面形成堅硬的氧化層，顯著提高了其耐磨損性和抗腐蝕性，硬質氧化層表面多孔結構增加了與塗層材料的機械粘附力，可應用於塗裝和粘接等工藝中。隨著科學技術的不斷發展，硬質陽極氧化技術持續革新，擴大了其應用範圍，包括航空航天、汽車、建築等領域，應用於提高產品的性能和質量。總之，鋁合金硬質陽極氧化工藝在表面處理領域具有廣泛的應用前景，可以提高鋁合金產品的耐磨損性、抗腐蝕性和裝飾效果，同時拓展了其在不同行業的應用範圍。
參考文獻
[1]謝曉偉.蘋果酸-硫酸鋁合金硬質陽極氧化工藝研究[D].西華大學，2022.
[2]武平方，劉冰，張勤等.鋁合金硬質陽極氧化膜故障原因分析及對策[J].新技術新工藝，2022(02):77-80.
[3]穆耀釗，葉芳霞，戴君等.微弧氧化及硬質陽極氧化對7050鋁合金表面氧化膜層的影響[J].材料保護，2020，53(06):83-87+109.
[4]安思宇，呂威，李雪松.硫酸電解液中鋁合金硬質陽極氧化膜的表面形貌及性能研究[J].電鍍與環保，2020，40(03):50-52.