恒定電流密度下鋁合金的硬質(zhì)陽極氧化?

  1　前言
　　在成都飛機(jī)工業(yè)公司與美國麥道公司合作生產(chǎn)MD90機(jī)頭的過程中，采用鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝。需滿足美方麥道工藝規(guī)范DPS10。01的要求，即成膜的電流密度為18。9A/dm2，最低不能低于9。9A/dm2，膜厚為45～55μm。而我公司及國內(nèi)采用的工藝的成膜電流密度為2～6A/dm2。在較高電流密度（9。9A/dm2以上）進(jìn)行陽極化時，零件的燒毀率很高，生產(chǎn)成本較高。因此，為達(dá)到美方的要求，且不提高生產(chǎn)成本，必須進(jìn)行技術(shù)改造。

　　在高電流密度下形成厚膜的硬質(zhì)陽極氧化主要采用以下2種方法。
　　①通過往電解液中添加適量的有機(jī)酸或有機(jī)化合物，以改善膜層質(zhì)量，降低零件燒毀率。
　　②通過在不同試樣上施加不同波形的電流來改變膜的成長過程，以提高膜的質(zhì)量，如交直流疊加、直流疊加方波脈沖等。
　　本文著重從改進(jìn)陽極氧化電源入手，根據(jù)試樣（零件）燒毀率和美軍標(biāo)MIL-A8625及美國麥道公司工藝標(biāo)準(zhǔn)DPS11。01評價膜層質(zhì)量。

　　2　試驗
　　2.1　電解液配方
　　配方1：
　　硫酸　　　　 180～200g/L
　　草酸　　　　 8～15g/L
　　添加劑　　　 30g/L
　　溫度　　　　 -7～-8℃
　　配方2：
　　硫酸　　　　 280～300g/L
　　溫度　　　　 -7～-8℃

　　2.2　試樣材料及尺寸
　　2024—T3（鋁合金）　100mm×100mm ×6mm
　　7075—T6（鋁合金）　100mm×100mm ×6mm
　　2.3　工藝流程

　　裝掛→堿性清洗劑清洗→沖洗→堿腐蝕→沖洗→干燥→局部表面保護(hù)→硬質(zhì)陽極化→沖洗→封閉→沖洗→干燥→拆卸→檢驗

　　2.4　電源
　　①直流電源
　　②直流疊加脈沖電源
　　該電源采用可控硅調(diào)壓，在直流基礎(chǔ)上加脈沖電流，通斷比為2。5：1。為意大利ELCA公司生產(chǎn)。
　　　③單相交直流疊加電源
　　此電源為可控硅調(diào)壓，整流器整流，主要采用直流和交流疊加在一起，正向電流與反向電流比為10∶1到8∶1。
　　
　　2.5　膜層性能檢測
　　2.5.1　耐磨性試驗
　　采用24塊100mm×100mm×6mm的試樣，在Taber磨損機(jī)上負(fù)荷10N，轉(zhuǎn)速70r/min，10000次循環(huán)測得數(shù)據(jù)的平均值。
　　2.5.2　膜厚的測量
　　采用顯微鏡金相法測定。

　　3　結(jié)果與討論
　　直流電源以及直流疊加脈沖電源氧化試驗的結(jié)果見表1、2，其燒毀率是以試樣和零件氧化時燒毀的實際數(shù)據(jù)統(tǒng)計而出。由表1、2可見，在較高電流密度（9。9 A/dm2）下，在有添加劑的配方1中所得膜層比在無添加劑的配方2的燒毀率稍低，但燒毀率仍太高，無法直接應(yīng)用于生產(chǎn)。

　　表1　直流電源下鋁合金陽極化的燒毀率
　　──────────────────────
　　                       燒毀率
　　材料　　────────────────
　　              配方方1　　　　　配方2
　　──────────────────────
　　2024—T3　　　 45%　　　　　　 50%
　　7075—T6　　　 28%　　　　　　 30%
　　──────────────────────
　　電流密度為9。

9 A/dm2，電流上升時間為5 min。
　　表2　直流疊加脈沖電源下鋁合金陽極化的燒毀率
　　──────────────────────
　　　　　　　　　　    燒毀率　
      材料　　─────────────────
　　　　　　　 配方方1　　　　　　配方2
    ──────────────────────
　  2024—T3　　　 40%　　　　　　　 43%
　  7075—T6　　　 25%　　　　　　　 28%
    ──────────────────────

　　電流密度為9。9 A/dm2，電流上升時間為5、10、15 min，加入脈沖為10%、20%、30%。
　　在交直流疊加電源氧化的情況下，燒毀率幾乎為零。從4。4 A/dm2到9。9 A/dm2、18。9 A/dm2，不管是7075鋁合金還是含有高銅的鋁合金2024，膜層的耐磨性均達(dá)到DPS11。01和MIL-A-8625的要求。而且隨著電流密度的增加，膜層的耐磨性能不斷提高。在不同的電流密度下，含有添加劑的配方1中形成的膜層的耐磨性均比沒有添加劑的配方2中形成的高。在膜厚基本相同的情況下，高電流密度下的成膜時間比低電流密度下的要短得多。

　　根據(jù)以上試驗可以看出鋁合金試樣在不同波形電源產(chǎn)生的高電流密度下的燒毀率差異很大。這是因為在陽極化時試片表面通過較高電流，因氧化膜具有很在原電阻，而且陽極化過程中產(chǎn)生的熱量大多集中在試樣與電解液接角面之間不易散發(fā)，導(dǎo)致溫度上升，即所謂的界面溫度過高，可達(dá)上百度。因此在陽極化過程中，如果沒有足夠的散熱時間，會使氧化膜溶解加快，很容易會燒毀試樣。具體分析如下：

　　①在直流電源產(chǎn)生的高電流密度下，鋁 合金試樣在成膜過程中因為沒有足夠的散熱時間，造成界面溫度過高而燒毀試樣。
　　②直流疊加脈沖電源產(chǎn)生的高電流密度下，鋁合金試樣在成膜過程中，由于電源波形峰值電流密度很大，能促進(jìn)膜的生長；底部電流密度小，有利于散發(fā)焦耳熱，降低界面溫度，使得膜不易被燒毀，但在高電流成膜的情況下仍然不能使界面溫度完全降低，故而試樣被燒毀的機(jī)率較大。
　③單相交直流疊加電源產(chǎn)生的高電流密度下，鋁合金試樣在成膜過程中，正向大電流時有利于氧化膜的生長，反向電流時膜層不溶解并且大大降低成膜過程中產(chǎn)生的焦耳熱，降低了界面溫度，保護(hù)膜不易被燒毀。另外，在反向電流時，試樣處于陰極狀態(tài)，電極反應(yīng)有氫析出，初生的氫和氧在氧化膜孔隙中很快結(jié)成了水。由于減少了大量氣態(tài)的氫和氧，電解液比較容易接觸到鋁基體。并且由于膜孔中生成的水增加了電解液的流動性，改善了冷卻效果，降低了界面溫度，因此，試樣不會被燒毀。

　　另外從表3的試驗數(shù)據(jù)可以看出，較高電流密度下形成的膜層的耐磨性優(yōu)于較低電流密度下的，這是因為鋁合金試樣在恒定電流密度下氧化成膜時，可以通過增加氧化化時間的處長而降低，時間達(dá)長會產(chǎn)生疏松的膜層。因此，提高電流密度可以縮短成膜時間，從而提高膜層耐磨性。

　　4　應(yīng)用
　　成飛公司根據(jù)以上試驗結(jié)果在96年進(jìn)行了技術(shù)改造，添置了一臺大功率的1000A。0～55V交直流硬質(zhì)陽極氧化設(shè)備并按照美國軍標(biāo)MIL-A-8625和美國麥道公司DPS11。01工藝規(guī)范評價了膜厚、膜重、耐磨和耐鹽霧性能。結(jié)果完全滿足MIL-A8625標(biāo)準(zhǔn)和DPS11。01工藝規(guī)范的要求，通過了美國麥道公司的工藝評審，已應(yīng)用于轉(zhuǎn)包生產(chǎn)中。此電源在高電流密度下大大提高了生產(chǎn)效率，既縮短了工時又降低了能耗、節(jié)約了成本，自97年投產(chǎn)以來累計節(jié)省費用60多萬元。