吳連波， 王明亮， 張海平

（長春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130012）

0 引 言

一般來說，鋁及其合金陽極氧化按其用途可分為裝飾性陽極氧化和功能性陽極氧化。裝飾性陽極氧化要求的是其性能的表面色澤一致與均勻性，鋁的硬質(zhì)陽極氧化屬于功能性陽極氧化[1]。鋁合金經(jīng)硬質(zhì)氧化后，膜層厚、硬度高、耐磨性好、耐高溫，并且具有優(yōu)良的電絕緣性和抗蝕性[2-4]，但是氧化后的膜層一般呈褐色到黑色，毫無裝飾性，影響其使用。本研究通過對(duì)鋁合金進(jìn)行機(jī)械砂面和化學(xué)拋光預(yù)處理，經(jīng)陽極氧化后，使表面得到具有裝飾效果的深灰色的硬質(zhì)陽極氧化膜，其性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，廣泛應(yīng)用在200 km/h軌道客車上。

1 試驗(yàn)部分

1.1 工藝方法

1.1.1 裝飾性硬質(zhì)陽極氧化工藝流程

試樣打磨→脫脂→熱水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→機(jī)械砂面→冷水洗→化學(xué)拋光→冷水洗→裝飾性硬質(zhì)陽極氧化→冷水洗→封閉處理→冷水洗→熱水洗→風(fēng)干

機(jī)械砂面的目的是去除鋁合金試樣表面毛刺、疤痕和天然氧化皮等，提高其表面光潔度。機(jī)械噴砂采用壓縮空氣為動(dòng)力，將干燥的砂粒從高壓噴嘴射向試樣表面，使其得到清理和粗化[5]。噴砂處理后要使試樣表面粗糙度Ra達(dá)到0.2～0.3 μ m，清潔度達(dá)到Sa3級(jí)，使其呈現(xiàn)均勻一致的消光表面。處理時(shí)間通常在3～5 min。

化學(xué)拋光采用磷酸、硝酸、冰乙酸的混合溶液，在100～110℃下進(jìn)行?？梢允逛X合金表面得到光亮而平滑的表面。

1.1.2 氧化方法

氧化工藝采用恒電流法，選用鉛板作為陰極，氧化前用制冷裝置把電解液溫度降至工藝要求溫度，并保持恒定。電流密度在25 min內(nèi)逐漸升至指定值。氧化過程中，使用壓縮空氣對(duì)溶液進(jìn)行攪拌。

在給定工藝參數(shù)的前提下，以硫酸為基礎(chǔ)液，濃度為150 g/L;添加某有機(jī)二元酸;添加劑A可以降低氧化膜的溶解速度，提高電解液氧化溫度，其濃度為 5～10 g/L。我們主要研究溶液溫度（A）、氧化時(shí)間（B）、電流密度（C）對(duì)膜層顏色、膜厚、硬度的影響規(guī)律，通過改變這3個(gè)工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)了3因素3水平正交試驗(yàn)，即L9（33）。

1.2 主要儀器與試驗(yàn)材料

日本電子JSM-5600LV掃描電鏡、FM-700型顯微硬度計(jì)、T T230數(shù)字渦流測厚儀、可控硅整流器、噴砂機(jī)、空氣壓縮機(jī)。

試驗(yàn)材料為6063T6鋁合金，試樣規(guī)格為50 mm×20 mm×2 mm。

1.3 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)鋁合金部件在200 km/h軌道客車上的使用要求，要達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn):

膜層厚度:15～25 μ m;

膜層顯微硬度:HV300以上;

外觀:亞光砂面，裝飾性深灰色。

1.4 性能測試

對(duì)氧化膜進(jìn)行外觀檢查，主要觀察顏色是否達(dá)到要求的深灰色，色澤一致性等;

用渦流測厚儀測量氧化膜的厚度;

用顯微硬度計(jì)測其硬度;

用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察氧化膜微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)的結(jié)果見表1。在溶液溫度（A）、氧化時(shí)間（B）、電流密度（C）這3個(gè)因素的影響下，膜厚和顯微硬度的均值與極差見表2。

表1 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表2 膜厚和顯微硬度的均值與極差

2.2 最佳工藝選擇

從表2可以看出，得到氧化膜最佳厚度和硬度的工藝條件:溶液溫度為8℃，陽極氧化時(shí)間為90 min，電流密度為1.5 A?dm-2。由均值可知最佳工藝下顯微硬度≥HV330，厚度≥20 μ m，完全符合我們的技術(shù)指標(biāo);由極差分析可知，3個(gè)因素對(duì)膜厚的影響次序依次為B，C，A，對(duì)硬度的影響因素依次為B，C，A，氧化時(shí)間對(duì)膜厚與硬度的影響最大。

溫度較低時(shí)，氧化膜的成膜速度較小，生成的膜層硬度較高，顏色偏深。隨溫度升高，氧化膜生長速度加快，膜層厚度增加，硬度上升，氧化溫度繼續(xù)增加，氧化膜的腐蝕量增加，膜層變薄，氧化膜變疏松，硬度降低。在一定時(shí)間范圍內(nèi)，隨氧化時(shí)間的增加，氧化膜的厚度也增加，幾乎呈線性關(guān)系，但氧化膜不會(huì)無限制地增厚，當(dāng)其達(dá)到一定厚度后，隨氧化時(shí)間的延長，膜反而越來越薄[6]。提高電流密度，可以加速膜的生長速度，可以在短時(shí)間內(nèi)得到較厚的膜，減少膜層的化學(xué)溶解作用，膜層的硬度耐磨性較好。但電流密度不能太高，否則因受焦耳熱的影響，加快了膜的溶解作用，使得膜的生成速度反而下降，發(fā)熱量過大會(huì)使得硬度降低，影響其質(zhì)量[7-8]。

2.3 氧化膜的微觀形貌

在電流密度為1.5 A?dm-2，陽極氧化時(shí)間為90 min，溶液溫度分別為4℃，12℃，并且其它條件均相同時(shí)所得的氧化膜的SEM照片如圖1所示。

由圖可以清晰地看到，低溫下生成的氧化膜顏色較深，膜孔較小。而高溫時(shí)生產(chǎn)的氧化膜孔數(shù)量減少，孔徑增大。

圖1 在不同溫度下生成的氧化膜SEM形貌

在電流密度為1.5 A?dm-2，氧化溫度為8℃，氧化時(shí)間分別為60 min，120min，其它條件均相同時(shí)所得的氧化膜的SEM照片如圖2所示。

由圖2可以看出，氧化時(shí)間為60 min時(shí)，孔洞數(shù)量較少，孔徑較小。120 min時(shí)，孔洞數(shù)量明顯增多，并且不少孔洞開始相互貫通，形成一片凹坑。原因可能是氧化時(shí)間太長，硫酸對(duì)氧化膜表面的溶蝕作用太久[9]。

圖2 不同時(shí)間時(shí)生成的氧化膜SEM形貌

在氧化溫度為8℃，氧化時(shí)間為90 min，電流密度分別為1.2 A?dm-2，1.8 A?dm-2，其它條件均相同時(shí)所得的氧化膜的SEM照片如圖3所示。

電流密度較低時(shí)，膜孔相對(duì)較大，數(shù)量較多，這時(shí)膜的生成速度較小。隨著電流密度的提高，膜孔增多，但由于電流密度過高，產(chǎn)生較多的熱量，加快了溶解，使得膜孔開始相互連接在一起，這時(shí)得到的膜層較疏松，耐蝕性較差[10]。

圖3 不同電流密度下生成的氧化膜SEM形貌

3 結(jié) 語

由正交試驗(yàn)分析可知，裝飾性硬質(zhì)陽極氧化膜的最佳工藝是溶液溫度為8℃，陽極氧化時(shí)間為90 min，電流密度為1.5 A?dm-2。在最佳工藝下，可以得到顯微硬度 ≥HV330，厚度 ≥20 μ m，且具有裝飾性深灰色的氧化膜，符合我們的技術(shù)指標(biāo)。SEM分析結(jié)果表明:溶液溫度越低，氧化膜顏色越深;氧化時(shí)間越長，相連的孔洞越多;電流密度越高，形成的孔洞越多，膜層往往疏松、硬度低。

[1] 朱祖芳.鋁陽極氧化應(yīng)用[J].電鍍與涂飾，1999，18（1）:41-43.

[2] 袁海兵，黃承亞，謝剛，等.鋁合金硬質(zhì)陽極氧化工藝的研究[J].表面技術(shù)，2007，36（5）:46-48.

[3] 孫衍樂，宣天鵬，徐少楠，等.鋁合金的陽極氧化及其研發(fā)進(jìn)展[J].電鍍與精飾，2010，32（3）:18-19.

[4] 趙建華，趙占西，尹小三.鋁合金復(fù)合陽極氧化表面處理工藝[J].表面技術(shù)，2008，37（4）:54-55.

[5] 肖剛，胡秋，周立.砂面鋁型材不同表面預(yù)處理對(duì)比研究[J].湖南有色金屬，2001，17（6）:32-34.

[6] 任銳，賀子凱.鋁硬質(zhì)陽極氧化新工藝的研究[J].電鍍與涂飾，2003，22（4）:11-13.

[7] 徐瑞東，王軍麗，薛方勤，等.鋁合金常溫脈沖硬質(zhì)陽極氧化膜性能的研究[J].材料保護(hù)，2003，36（9）: 34-35.

[8] 劉憶，劉鳳霞.工業(yè)純鋁硬質(zhì)陽極氧化的工藝研究[J].表面技術(shù)，2006，35（6）:35-36.

[9] 郟宇飛，曠亞非.鋁高壓陽極氧化膜微觀形貌影響因素的研究[J].電鍍與精飾，2006，28（2）:1-2.

[10] 莫偉言，石玉龍.2A12鋁合金常溫脈沖硬質(zhì)陽極氧化電解液配方優(yōu)化[J].電鍍與涂飾，2010，29（9）: 30-32.