張偉*，魏修亭，劉志蘭，單既強，杜平，李志永

（1.山東豪邁機械科技股份有限公司，山東 高密 261500；2.山東理工大學，山東 淄博 255000）

AC7A鋁合金輪胎模具花紋塊表面硬質(zhì)陽極氧化工藝

張偉1,*，魏修亭2，劉志蘭1，單既強1，杜平1，李志永2

（1.山東豪邁機械科技股份有限公司，山東 高密 261500；2.山東理工大學，山東 淄博 255000）

對AC7A鋁合金輪胎模具花紋塊進行硬質(zhì)陽極氧化，以提高其顯微硬度。研究了電解液中硫酸的質(zhì)量濃度、溫度、電流密度和時間對氧化膜顯微硬度和厚度的影響，得到最佳工藝條件為：硫酸240 g/L，初始電流密度1 A/dm2，終止電流密度6 A/dm2，溫度?6 °C，時間50 min。在最佳工藝條件下，所得氧化膜的厚度為63 μm，顯微硬度為480 HV，在摩擦磨損試驗中的質(zhì)量損耗率是AC7A鋁合金損耗率的3.3%。隨氧化膜顯微硬度的升高，其耐摩擦磨損性能改善。

輪胎模具；鋁合金；硬質(zhì)陽極氧化；顯微硬度；摩擦磨損；厚度

輪胎模具作為汽車輪胎生產(chǎn)的終端成型設備，在很大程度上決定了輪胎的質(zhì)量和外觀。輪胎模具的使用工況較差：高溫(180 °C)、高壓，有腐蝕性(含硫)氣體，并做頻繁的精密開合運動。運動部件的相對運動面會產(chǎn)生磨損而使部件間隙增大，最終導致輪胎產(chǎn)生膠邊，影響輪胎的外觀質(zhì)量[1]。在保證加工精度、安裝精度符合設計要求的前提下，提高模具表面硬度能有效提高模具的耐摩擦磨損性能，從而減少輪胎膠邊的產(chǎn)生。AC7A鋁鎂合金是目前國際上比較推崇的模具用鋁，但AC7A鋁花紋塊表面硬度低，提高其硬度可以有效提高模具的性能。通過硬質(zhì)陽極氧化可以在鋁合金基體表面生成一層致密的薄膜，從而克服鋁合金表面硬度低和耐磨性差的缺陷，擴大其應用范圍，延長其使用壽命，是提高輪胎模具性能的有效途徑。本文以硫酸溶液為電解液對AC7A鋁合金表面進行硬質(zhì)陽極氧化，研究了硫酸濃度、氧化時間、電流密度、工作溫度等工藝參數(shù)對氧化膜顯微硬度、厚度以及抗摩擦磨損性能的影響，以獲得AC7A鋁合金硬質(zhì)陽極氧化的最佳工藝。

1 實驗

1. 1 試件預處理

基體為輪胎模具花紋塊，材質(zhì)為AC7A鋁合金，其組成為：Mg 3.5% ～ 5.5%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，Zn≤0.15%，F(xiàn)e≤0.25%，Mn≤0.6%，Ni≤0.05%，Ti≤0.20%，Pb≤0.05%，Sn≤0.05%，Cr≤0.15%，Al余量。

1. 2 工藝流程

堿液(70 g/L Na3PO4+ 50 g/L Na2CO3+ 10 g/L NaOH)除油→去離子水洗→裝夾掛具→5%(體積分數(shù))鹽酸洗→去離子水洗→蒸餾水洗→硬質(zhì)陽極氧化→蒸餾水洗→封孔(85 °C，15 min)→吹干。

1. 3 硬質(zhì)陽極氧化工藝

采用北京金電源偉創(chuàng)氧化科技有限公司生產(chǎn)的YSK-500型硬質(zhì)陽極氧化分段定時電源，AC7A花紋塊試樣連接電源正極，鉛板作陰極連接電源負極，氧化過程中采用氟制冷壓縮機使電解液溫度保持在規(guī)定溫度，采用壓縮空氣進行攪拌。

采用200 ～ 280 g/L的硫酸溶液為電解液，溫度?6 ～ 4 °C，時間40 ～ 60 min，起始電流密度1 A/dm2，終止電流密度為4、5、6、7或8 A/dm2。陽極氧化過程中，隨著氧化膜增厚，電阻增大，氧化膜生長所受阻力增大。在氧化過程的不同階段，可以通過提高電流密度的方法，使氧化過程繼續(xù)進行。本實驗共采用5組電流密度，每組試驗按電流密度均分為4個階段，均遞增3次。如氧化時間為50 min，終止電流密度為6 A/dm2時，電流密度每隔12.5 min遞增1.66 A/dm2，直至氧化結(jié)束。

圖1為硬質(zhì)陽極氧化前、后的花紋塊照片。

圖1 花紋塊硬質(zhì)氧化前、后的照片F(xiàn)igure 1 Photos of pattern block before and after hard anodization

1. 4 性能檢測

1. 4. 1 氧化膜的顯微硬度和厚度

采用FM800顯微硬度計測試氧化膜的顯微硬度，載荷50 g，加載時間15 s，每個試樣均隨機測5個不同點，取平均值。采用德國蔡司生產(chǎn)的Axio Lab.A1生物熒光相差顯微鏡檢測氧化膜厚度，在試樣氧化面剖面隨機選取5段，每段測量兩點，取平均值。

1. 4. 2 陽極氧化膜的摩擦磨損性能

采用MMV-10G型屏顯式材料端面高溫摩擦磨損試驗機對試樣進行摩擦磨損試驗，對磨材料為W7Mo4Cr4V2Co5高速鋼，加載力300 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，加載時間設定為1 800 s或600 s，通過試驗前后試樣的質(zhì)量變化率來評判其耐磨性。

2 結(jié)果與討論

2. 1 終止電流密度對氧化膜性能的影響

在硫酸質(zhì)量濃度240 g/L、氧化溫度?6 °C、初始電流密度1 A/dm2的條件下，對AC7A陽極氧化50 min，終止電流密度對氧化膜顯微硬度和厚度的影響如圖2所示。從圖2可知，隨終止電流密度增大，氧化膜的顯微硬度和厚度均先增后減。終止電流密度為6 A/dm2時，氧化膜的厚度和顯微硬度達到最大，分別為63 μm和470 HV。原因是在氧化剛開始時，鋁合金表面快速生成一層薄而致密的氧化膜，隨著電阻的增大，電壓急劇上升，至一定電壓值時氧化膜較薄的部位被擊穿，促使電流通過，氧化過程繼續(xù)進行。相同條件下，電流密度增大，氧化膜的生成速率加快；反之，膜層的生成速率減慢。因此氧化膜的顯微硬度和厚度隨電流密度增大而增大。但電流密度過高會增強電場的助溶作用，促進膜層的化學溶解，造成氧化膜的硬度和厚度降低[2]。因此終止電流密度在6 A/dm2左右為宜。

2. 2 電解液中硫酸質(zhì)量濃度對氧化膜性能的影響

在起始電流密度為1 A/dm2，終止電流密度為6 A/dm2，氧化溫度為?6 °C的條件下，采用質(zhì)量濃度不同的硫酸溶液對AC7A陽極氧化50 min，所得氧化膜的顯微硬度和厚度見圖3。從圖3可知，隨硫酸質(zhì)量濃度增大，氧化膜的顯微硬度和厚度增大。當硫酸的質(zhì)量濃度為240 g/L時，膜層的顯微硬度和厚度達到最大，分別為474 HV和51.4 μm。當硫酸的質(zhì)量濃度較低時，電解液的導電性較差，溶液電阻較大，氧化過程中產(chǎn)生的熱量較大，導致溶液溫度升高，對氧化膜的溶解作用加強，所得氧化膜薄而不均勻。隨硫酸質(zhì)量濃度的增大，氧化膜的厚度和顯微硬度均增大。當硫酸質(zhì)量濃度高于240 g/L時，氧化膜的厚度和顯微硬度均下降。這是因為硫酸含量過高時，對氧化膜的溶解能力加強，氧化膜的孔隙率增大，厚度減小；同時，膜層的溶解過程伴隨放熱，導致氧化膜組織粗化，顯微硬度降低[3-4]。

圖2 終止電流密度對氧化層顯微硬度和厚度的影響Figure 2 Effect of terminal current density on microhardness and thickness of oxidation film

圖3 電解液中硫酸的質(zhì)量濃度對氧化層硬度和厚度的影響Figure 3 Effect of H2SO4mass concentration in electrolyte on microhardness and thickness of oxidation film

2. 3 電解液溫度對氧化膜性能的影響

其余條件同2.2，硫酸的質(zhì)量濃度為240 g/L時，氧化膜的顯微硬度和厚度隨電解液溫度的變化見圖4。從圖4可知，隨著電解液溫度的升高，氧化膜的顯微硬度和厚度逐漸降低?？芍ＷC氧化膜的顯微硬度，應適當降低電解液溫度。但在實際生產(chǎn)中，電解液溫度越低，能耗越大，成本就越高。所以電解液溫度還要根據(jù)實際情況而定。

2. 4 氧化時間對氧化膜性能的影響

其余條件同2.3，電解液溫度為?6 °C時，氧化膜的顯微硬度和厚度隨氧化時間的變化見圖5。從圖5可知，隨氧化時間延長，氧化膜的顯微硬度和厚度均先升后降。氧化時間為50 min時，氧化膜的顯微硬度最高；當氧化時間為55 min時，氧化膜的厚度最大。這是因為隨著氧化時間延長，氧化膜厚度增大，此階段氧化膜的生成速率遠大于溶解速率，表現(xiàn)為顯微硬度和膜厚增大。隨氧化時間延長，超過40 min后，電解液溫度升高，氧化膜的溶解速率增大，膜層局部被擊穿而形成孔隙，顯微硬度降低[5-6]。

圖4 電解液溫度對氧化層顯微硬度和厚度的影響Figure 4 Effect of electrolyte temperature on microhardness and thickness of oxidation film

圖5 氧化時間對氧化層顯微硬度和厚度的影響Figure 5 Effect of oxidation time on microhardness and thickness of oxidation film

綜上可知，AC7A硬質(zhì)陽極氧化的最加工藝條件為：硫酸240 g/L，初始電流密度1 A/dm2，終止電流密度6 A/dm2，溫度?6 °C，時間50 min。

2. 5 氧化膜的抗摩擦磨損性能與顯微硬度的關系

其余參數(shù)保持最佳工藝水平，通過改變終止電流密度得到顯微硬度不同的氧化膜，分別對這些試樣進行摩擦磨損試驗，并與基體材料進行對比，結(jié)果見表1和圖7。從中可知，氧化膜的磨損率比基體材料的磨損率(0.285 5%)低很多，并且隨其顯微硬度增大而降低，即耐摩擦磨損性能提高。這說明通過陽極氧化可提高AC7A輪胎模具的使用壽命。原因是AC7A鋁合金的顯微硬度(67 HV)較低，與硬質(zhì)對偶環(huán)磨頭摩擦時的摩擦因數(shù)大，耐磨性差。經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化后，試樣表面顯微硬度增大，磨損表面相對平滑[7]，磨損量也大幅降低。

表1 不同終止電流密度下所得陽極氧化膜的性能Table 1 Properties of anodization films obtained at different terminal current densities

3 結(jié)論

AC7A鋁合金表面硬質(zhì)氧化的最佳工藝條件為：硫酸240 g/L，初始電流密度1 A/dm2，終止電流密度6 A/dm2，溫度?6 °C，時間50 min。在最佳工藝條件下，所得氧化膜的厚度為63 μm，顯微硬度為480 HV，摩擦磨損試驗損耗率為0.009 5%，為AC7A鋁合金損耗率的3.3%。

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[ 編輯：周新莉 ]

Hard anodization process for surface of pattern block of AC7A aluminum alloy tire mode //

ZHANG Wei*, WEI Xiu-ting, LIU Zhi-lan, SHAN Ji-qiang, DU Ping, LI Zhi-yong

The pattern block of AC7A aluminum alloy tire mode was treated by hard anodization to raise its microhardness. The effects of mass concentration of sulfuric acid in electrolyte, temperature, current density, current density and time on the microhardness and thickness of oxidation film were studied. The optimal process conditions were obtained as follows: sulfuric acid 240 g/L, initial current density 1 A/dm2, terminal current density 6 A/dm2, temperature ?6 °C, and time 50 min. The oxidation film obtained under the optimal conditions features a thickness of 63 μm and a microhardness of 480 HV. Its weight loss rate after friction and wear test is 3.3% that of AC7A aluminum alloy, and its friction and wear resistance is improved with the increasing of microhardness.

tire mold; AC7A aluminum alloy; anodization film; microhardness; friction and wear; thickness

Himile Mechanical Science and Technology (Shandong) Co., Ltd., Gaomi 261500, China

TQ153.6

A文獻標志碼：：1004 – 227X (2017) 09 – 0468 – 04

10.19289/j.1004-227x.2017.09.006

2017–01–21

2017–05–11

張偉（1967–），男，山東高密人，泰山產(chǎn)業(yè)領軍人才，山東省輪胎模具關鍵技術(shù)重點實驗室主任，研究方向為輪胎模具。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) davidzhang@himile.com。