鋁合金鉻酸陽極氧化工藝研究

趙青花 李宏偉

【摘 要】鉻酸陽極氧化工藝得到的氧化膜較薄， 一般只有1-5 μ m厚，膜層質(zhì)軟，彈性高。具有不透明的灰白色至深灰色外觀。由于鋁在鉻酸氧化溶液中不易溶解， 形成氧化膜后， 仍然能保持零件的精度和表面粗糙度，因此， 鉻酸陽極氧化溶液適用于容差小、表面粗糙度低的零件以及鑄件、點(diǎn)焊件等。影響膜層性能的主要參數(shù)有：電流密度、溫度、氧化時(shí)間等。通過實(shí)驗(yàn)，確定了適用于我單位產(chǎn)品的工藝配方和操作參數(shù)，所得膜層外觀質(zhì)量、耐蝕性較好。

【關(guān)鍵詞】鋁合金；陽極氧化；鉻酸

鉻酸陽極氧化是鋁及鋁合金表面處理方法之一，我單位的某產(chǎn)品 殼體中有幾種零部件要求表面鉻酸陽極氧化。所得到的膜層外觀質(zhì)量、防腐性能達(dá)到船舶相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)我廠產(chǎn)品所用的鋁鎂合金、鋁硅合金材料，研究制定相應(yīng)的工藝方法。

一、采用的技術(shù)原理和關(guān)鍵技術(shù)

所用技術(shù)原理：

鋁及其合金在鉻酐電解液中，在特定的工藝條件下，由于外加電流的作用， 作為陽極在基材表面同時(shí)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)而生成一層無色氧化膜，，陽極反應(yīng)：

H20-2e-=（0〕+2H+

2A1-3e一→A13+

2A1+3（0）=A1203

Al203+302-→Al2（S04）3+3H20

氧化膜由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)而具有耐磨耐腐蝕絕緣性好吸附能力強(qiáng)等特性。

二、主要研究內(nèi)容有

（一）選定所用工藝方法：溶液主鹽：鉻酐35～45g/L，作為電溶液主要成份，主要起增加溶液導(dǎo)電性的作用。電解液為酸性（pH=0.65～0.8）。在氧化過程中，鋁合金作為陽極，陰極用鉛板（只起導(dǎo)電作用），在整流電源的作用下，鋁合金陽極表面生成了結(jié)實(shí)的氧化鋁膜，同時(shí)在陽極上有氧氣析出，陰極上有氫氣析出， 同時(shí)在氧化膜/溶液界面上還發(fā)生氧化膜的溶解反應(yīng)。二者同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)膜的生成速度大于溶解速度時(shí)，膜的厚度才會(huì)不斷增長，氧化過程溶液溫度不斷上升。

鉻酐含量增加會(huì)提高氧化膜的溶解速度使膜層的生長速度減緩， 孔隙率加大；含量降低則生成的氧化膜致密性好，但膜層太薄。通過實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)過程中控制在35～45g/L范圍內(nèi)，所得膜層孔隙率低、厚度在2-5μm范圍內(nèi)，符合產(chǎn)品使用要求。

（2）氧化操作參數(shù)的選取：電流密度： 0.2～0.6A/dm2，溫度： 36-40℃，氧化時(shí)間： 60min，在氧化開始15min內(nèi)， 將電壓升至40V，在40V下氧化45 min至終點(diǎn).

（3）影響膜層性能的主要參數(shù)有：

a）電流密度.它是陽極氧化的重要參數(shù)。在鉻酐含量35g/L，溫度37℃，氧化時(shí)間60min條件下氧化時(shí)（試件用5A06材質(zhì)），隨著電流密度的提高，膜的生成速度加快，孔隙率增加：在高于0.7A/dm2時(shí)，溶液溫度上升較快，膜的溶解速度加快，膜層疏松質(zhì)量下降，超過l.0A/dm2時(shí)，試件的尖角部位出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象；若電流密度太低，則膜層增長速度慢，工作效率降低；因此，電流密度應(yīng)控制在0.2～0.6A/dm2'范圍內(nèi)加工的零件的膜層質(zhì)量較好，工作效率也最佳。

b）溫度.氧化溫度是影響膜層質(zhì)量的另一主要參數(shù)， 在鉻酐含量35g/L，電流密度0.4A/dm2，氧化時(shí)間60min條件下氧化時(shí)（試件用5A06材質(zhì)），隨著溫度升高，膜的溶解加劇，膜層厚度降低，高于50℃時(shí)，膜層疏松出現(xiàn)掛灰現(xiàn)象，耐蝕性下降；溫度低于20℃時(shí)，工作效率降低， 膜層薄脆性增大，因此，最佳氧化溫度在36-40℃之間。

因此，生產(chǎn)線上配備了冷凍機(jī)、空氣攪拌等。

c）氧化時(shí)間。在鉻酐含量40g/L，溫度37℃，電流密度0.4A/dm2條件下氧化時(shí)（試件用5A06材質(zhì)），隨著時(shí)間延長，膜厚增加，耐蝕性增加，氧化60min后膜厚不再增加。

d）材質(zhì)成份。在鉻酐含量40g/L，溫度37℃，電流密度0.4A/dm2，氧化時(shí)間60min條件下氧化時(shí)，2A12材質(zhì)所得膜層光澤度好，厚度最厚，抗腐蝕性最好，5A06材質(zhì)所得膜層質(zhì)量次之，ZAlSi7Mg材質(zhì)所得膜層最差，光澤度暗，耐蝕性不如2A12膜層。

（二）氧化過程防止零件被擊穿

由于鉻酸氧化過程中電壓較高，因此，氧化過程應(yīng)觀察電流表的變化，若電流突然上升，則說明零件局部氧化膜已被擊穿，此時(shí)應(yīng)立即關(guān)閉電源，將零件取出，檢查表面氧化膜，若擊穿位置較小，不影響后續(xù)使用，則可以將零件氧化膜褪除，重新轉(zhuǎn)卡進(jìn)行氧化。裝卡部位保證導(dǎo)電良好。

為避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，在生產(chǎn)操作中應(yīng)注意以下幾方面；

（1）所用工裝夾具要導(dǎo)電性較好，褪除舊的氧化膜；

（2）工裝與零件要保證裝卡牢固；

（3）同一掛架上不要裝卡兩種材質(zhì)的零件；

（4）零件之間的裝卡部位不要太近；

（5）氧化過程要按照工藝要求給電，不可過快升高電壓。

（三）陽極氧化零件出現(xiàn)過腐蝕的原因

造成這種現(xiàn)象的原因是溶液中鉻酸含量過低，這時(shí)，氧化膜初期會(huì)出現(xiàn)黃色斑點(diǎn)，隨后逐漸腐蝕成深坑狀。

陽極氧化過程中鉻酸的消耗一方面是帶出消耗，另一方面消耗較大的是，在氧化過程中，溶解后的鋁離子在溶液中與鉻酸反應(yīng)生成鉻酸鋁Al2（CrO4）3和堿式鉻酸鋁Al（OH）CrO4，這樣溶液中的游離的鉻酸會(huì)逐漸減少，繼而出現(xiàn)上述現(xiàn)象。為避免發(fā)生這樣的質(zhì)量問題影響氧化膜質(zhì)量，生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況規(guī)定溶液的分析周期，分析化驗(yàn)是非常必要的，掌握主要成分變化狀況，從而及時(shí)補(bǔ)充消耗掉的鉻酸，確保溶液在安全可行的范圍內(nèi)。

（四）氧化溶液中有害雜質(zhì)的去除

鉻酸陽極氧化溶液中常見的雜質(zhì)又一下幾種：

（1）硫酸根離子。主要是鉻酐中帶入的，工業(yè)級(jí)的鉻酐中通常含有0.4%左右的硫酸。此外，就是所用自來水中的硫酸根帶入，因此，配置溶液，入氧化槽前的水洗工序盡可能用去離子水。

根據(jù)長期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，當(dāng)溶液中硫酸根濃度超過0.75g/L后，氧化膜質(zhì)量下降，膜層出現(xiàn)粗糙，光澤度降低。

溶液中硫酸根離子可以采用碳酸鋇沉淀法去除。按照1：1的比例加入計(jì)算量的碳酸鋇，不斷攪拌，使生成硫酸鋇沉淀，過濾去除。

（2）氯離子。氯離子主要由自來水帶入。它對(duì)氧化膜質(zhì)量影響較大，通常在濃度超過0.2g/L時(shí)，膜層就會(huì)有腐蝕點(diǎn)、電壓上不去、電流密度升高等現(xiàn)象。

采用的去除方法有：

a.通電處理。將溶液加熱到70～80℃，通電處理溶液，使氯離子在陽極上氧化成氯氣從而逸出。

b.價(jià)鉻。三價(jià)鉻含量高主要是由于氧化過程中陰極、陽極比例配置不合理。氧化過程中，若陽極面積過小，陰極反應(yīng)超過陽極上的氧化過程。生產(chǎn)過程中三價(jià)鉻含量不超過0.3g/L。含量過高時(shí)，可觀察到溶液顏色變深，影響成膜速度，膜層厚度降低。

去除方法：電解處理。用鐵板作為陰極，陽極面積相當(dāng)于陰極面積40倍左右的條件下電解處理，三價(jià)鉻氧化成六價(jià)鉻。為防止三價(jià)鉻在溶液中的積累，日常生產(chǎn)中應(yīng)注意陰、陽面積的比例，以1：（3-5）為宜。

三、結(jié)論

該工藝現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)應(yīng)用，經(jīng)過一段時(shí)同的生產(chǎn)實(shí)踐，共加工零件125件（鑄件22件，其余為5A06），一次交驗(yàn)合格率為100%。槽液穩(wěn)定、易維護(hù)，所得膜層致密、連續(xù)均勻。適用于精密零件以及有氣孔的鑄件的防護(hù)，尤其是疲勞性能要求較高的零件.所獲得的氧化膜可保持零件精度、粗糙度、抗疲勞強(qiáng)度，與涂層的結(jié)合力好。所以該工藝在軍事裝各上用的較多。美國、俄羅斯和英國的鋁合金航空部件表面處理，一般都用該工藝。它除了生成鉻酸氧化膜起防護(hù)作用外，還可作為對(duì)部件質(zhì)量的檢查手段，如部件上的針孔、裂紋等冶金缺陷。具有較好的應(yīng)用前景。

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