武平方，劉 冰，張 勤，周建軍，毛 峰，韓平平

(豫西集團(tuán)南陽北方向東工業(yè)有限公司，河南 南陽 474677)

鋁的硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)是以陽極氧化膜的硬度與耐磨性作為首要特性的陽極氧化技術(shù)，這種膜一般以通用工程應(yīng)用或軍事應(yīng)用為目的，膜厚一般>25 μm，氧化膜的橫截面顯微硬度>350 HV作為硬質(zhì)膜的標(biāo)準(zhǔn)[1]。但實(shí)際上，硬質(zhì)氧化膜的硬度與合金種類、陽極氧化工藝參數(shù)等因素有關(guān)，跟橫截面的測量位置也有一定關(guān)系。

硬質(zhì)陽極氧化工藝與普通陽極氧化工藝沒有嚴(yán)格的界線，氧化膜的生成機(jī)理與普通硫酸陽極氧化相同，但為了獲得厚而硬的膜層需要強(qiáng)制冷卻電解液，采用高電壓和大電流使膜的生成速度遠(yuǎn)大于溶解速度[2]。

硬質(zhì)陽極氧化工藝和氧化膜性能受鋁合金加工狀態(tài)和合金成分影響較大。筆者采用以硫酸為主的混酸硬質(zhì)陽極氧化工藝對擠壓鋁管2A12產(chǎn)品進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化處理，并進(jìn)行水封閉處理，產(chǎn)品烘干下線后，發(fā)現(xiàn)大量產(chǎn)品表面附著有白色粘稠物質(zhì)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量和外觀[3]。

1 基體材料及零件形狀

該產(chǎn)品為擠壓鋁管2A12材質(zhì)，屬于2000系鋁合金。2000系鋁合金的主要問題是富銅的金屬間化合物相的優(yōu)先溶解，從而在硬質(zhì)陽極氧化膜中形成空洞。解決上述缺陷的主要訣竅是控制電流上升時(shí)間和降低電流密度，使得開始生成薄膜時(shí)盡量防止富銅相的局部溶解。2000系的高銅鋁合金采用硫酸、直流硬質(zhì)陽極氧化有一定難度，局限性在于“燒損”傾向，除非電接觸和攪拌特別有效，因此高銅鋁合金的“燒損”傾向比較常見，常常產(chǎn)品因燒蝕而報(bào)廢。

該產(chǎn)品為異形零件，內(nèi)弧面為線切割表面，外弧面為精車表面，局部有尖銳棱角，且有2個(gè)φ3 mm通孔，因此產(chǎn)品氧化過程中經(jīng)常發(fā)生“燒蝕”現(xiàn)象，造成產(chǎn)品報(bào)廢。

2 硬質(zhì)陽極氧化工藝

工藝流程為：裝掛具→上自動(dòng)線→除油→熱水洗→冷水洗(采用空氣攪拌)→堿蝕→二道冷水洗→出光→二道冷水洗→純水洗→硬質(zhì)陽極氧化→二道冷水洗→封閉→烘干→下自動(dòng)線→卸掛具。

化學(xué)除油：脫脂劑為40～60 g/L，溫度為40～60 ℃，時(shí)間為3～6 min。

堿蝕[4]：氫氧化鈉為40～60 g/L，堿蝕劑為6～10 g/L，溫度為60～70 ℃，時(shí)間為1～3 min。

出光：硝酸為280～350 g/L，室溫，時(shí)間為1～2 min。

硬質(zhì)陽極氧化[5-6]：硫酸為230～260 g/L，甘油為10～20 g/L，草酸為1～5 g/L，溫度為0～5 ℃，時(shí)間為55～65 min，空氣攪拌。

封閉：純水，溫度為90～95 ℃，時(shí)間為5～10 min。

3 產(chǎn)生白色物質(zhì)原因分析

陽極氧化生產(chǎn)線為自動(dòng)生產(chǎn)線，每槽裝5掛，每掛20件，同槽產(chǎn)品下線后有80%的產(chǎn)品外表面附著有白色物質(zhì)。將附著有白色物質(zhì)的產(chǎn)品放入高溫水中浸泡幾分鐘，產(chǎn)品表面的白色物質(zhì)大部分會(huì)被去除，但也有產(chǎn)品會(huì)留下印痕無法去除，需要進(jìn)行返工處理。

為了解決該質(zhì)量問題，筆者現(xiàn)場進(jìn)行跟蹤生產(chǎn)，對附著白色物質(zhì)的產(chǎn)品進(jìn)行了現(xiàn)場查看和分析：產(chǎn)品表面附著白色物質(zhì)的位置，大部分位于尾翼孔位置(見圖1)，特別是尾翼孔被白色物質(zhì)填滿；將白色物質(zhì)取出，進(jìn)行了定性分析，該物質(zhì)溶于水，溶液顯酸性，含有少量鋁離子；附著白色物質(zhì)的零件通過高溫水洗、干燥后，白色物質(zhì)去除干凈，外觀檢驗(yàn)合格。為徹底解決該問題，筆者從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測6個(gè)方面入手，系統(tǒng)查找原因。

3.1 人員

生產(chǎn)線為自動(dòng)生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線配有3名操作人員，負(fù)責(zé)產(chǎn)品的裝夾、下架和生產(chǎn)線設(shè)備維護(hù)；班組長負(fù)責(zé)生產(chǎn)線槽液維護(hù)。操作人員能熟練操作設(shè)備，嚴(yán)格按工藝規(guī)程操作，未發(fā)現(xiàn)違反工藝的現(xiàn)象。

3.2 設(shè)備

該硬質(zhì)陽極氧化生產(chǎn)線為自動(dòng)生產(chǎn)線，也可手動(dòng)操作。該產(chǎn)品是公司的主要產(chǎn)品，產(chǎn)品的掛具為專用鈦合金掛具，適合批量生產(chǎn)。產(chǎn)品生產(chǎn)采用自動(dòng)生產(chǎn)模式，產(chǎn)品的上線和下線在生產(chǎn)線一端依次完成。陽極氧化電源為智能可控硅無級調(diào)壓整流電源，根據(jù)工藝要求，可以通過設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行全自動(dòng)工藝曲線輸出控制，配置計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能對溫度、電流、電壓進(jìn)行監(jiān)控。生產(chǎn)線行車運(yùn)行正常，電源電壓、電流輸出正常，未發(fā)生異常。

3.3 料

筆者對需要進(jìn)行陽極氧化的產(chǎn)品進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查[7]。該產(chǎn)品來自于兩家機(jī)械加工分廠，由于兩家采用的機(jī)械加工工藝略有差異，因此產(chǎn)品的表面粗糙度略有差異，兩家產(chǎn)品都有白色物質(zhì)附著，但表面粗糙度大的產(chǎn)品良品率更低一些。因此產(chǎn)品表面粗糙度對該質(zhì)量問題有一定影響。

3.4 方法

3.4.1 手動(dòng)控制與自動(dòng)控制

產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中使用自動(dòng)控制程序，為了查找原因，采用手動(dòng)模式生產(chǎn)，產(chǎn)品下線后檢查，產(chǎn)品良品率明顯提高，但仍有少量產(chǎn)品表面有白色物質(zhì)附著，說明采用手動(dòng)操作對改善產(chǎn)品質(zhì)量有利。通過對手動(dòng)操作和自動(dòng)操作進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)主要區(qū)別在于手動(dòng)操作時(shí)在水洗槽清洗的時(shí)間長于自動(dòng)操作，說明白色物質(zhì)為未清洗干凈造成的。其次，手動(dòng)操作需要操作者在生產(chǎn)線操作行車完成，因此不是解決問題的根本辦法。

3.4.2 工藝流程分析

產(chǎn)品采用硫酸硬質(zhì)陽極氧化工藝，生產(chǎn)過程中主要功能槽液涉及氫氧化鈉、硝酸、硫酸、甘油、草酸等幾種物質(zhì)。為此筆者對前處理、氧化槽各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行一一驗(yàn)證、排除。

1)驗(yàn)證是否因前處理不良造成的，分別對化學(xué)除油、堿蝕、出光等工序進(jìn)行逐一驗(yàn)證；產(chǎn)品經(jīng)前處理后，安排操作人員對尾翼孔加強(qiáng)清水沖洗，產(chǎn)品氧化后白色物質(zhì)仍然存在。

2)驗(yàn)證是否因氧化槽溶液造成的，氧化槽液中含有硫酸、甘油、草酸，因甘油是無色、透明、粘稠液體，筆者認(rèn)為可能是甘油未清洗干凈造成表面有大量甘油物質(zhì)殘留，烘干后變成白色物質(zhì)附著產(chǎn)品表面。通過驗(yàn)證，該白色物質(zhì)仍然存在。

3)驗(yàn)證產(chǎn)品出氧化槽溶液后是否水洗干凈，產(chǎn)品出氧化槽后筆者進(jìn)行了對比試驗(yàn)，A組對尾翼孔加強(qiáng)清洗，B組正常清洗，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)清洗的產(chǎn)品表面沒有白色物質(zhì)附著，經(jīng)過對裝掛后產(chǎn)品的觀察，發(fā)現(xiàn)是尾翼孔被掛具遮擋了孔的一端，形成了盲孔，氧化溶液清洗不凈，殘留的溶液與鋁基體反應(yīng)生成硫酸鋁，干燥后形成了白色物質(zhì)，從孔中流出來，附在產(chǎn)品表面。

3.4.3 裝夾方式

產(chǎn)品采用專用鈦合金掛具(見圖2)進(jìn)行裝夾，產(chǎn)品有2個(gè)φ3 mm通孔，掛具依托2個(gè)孔，采用彈性裝夾方式。觀察該孔的位置，發(fā)現(xiàn)裝夾后，該孔變成了盲孔(見圖3)，里面存有液體。因此產(chǎn)品裝夾的方式對產(chǎn)品有一定影響。

3.4.4 水洗

生產(chǎn)線的水洗，采用流動(dòng)冷水洗，由于生產(chǎn)線使用的是地下水，顆粒物較多，流動(dòng)水洗槽未定期清理，水中有大量懸浮物，對產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響。

3.5 環(huán)境

筆者跟班生產(chǎn)一段時(shí)間發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度對其沒有太大影響，產(chǎn)品從首槽開始生產(chǎn)到最后一槽生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量狀況沒有明顯差異。

3.6 測量

零件有2個(gè)尾翼孔，氧化后需要100%進(jìn)行通止檢驗(yàn)。操作人員在對產(chǎn)品的2個(gè)孔進(jìn)行自檢過程中發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)孔止規(guī)通過，孔檢測不合格。操作人員改變零件裝夾方向后，另一端的孔止規(guī)檢測不合格。通過觀察發(fā)現(xiàn)，檢測不合格的孔，都是朝上的孔，該孔裝夾后成為一個(gè)盲孔，孔中存留的功能溶液繼續(xù)與基體反應(yīng)，造成了孔變大。

4 改進(jìn)措施

4.1 對陽極氧化工藝流程的改進(jìn)

1)加強(qiáng)水洗。對生產(chǎn)線流動(dòng)水洗槽中的水進(jìn)行定期更換，保證水的潔凈度，并加空氣攪拌。

2)改進(jìn)裝夾。對鈦合金掛具進(jìn)行改善(見圖4)，將裝夾的掛具由圓錐型改為三角錐型，使產(chǎn)品裝夾后，小孔內(nèi)的溶液仍能自由流動(dòng)，保證水洗時(shí)能將孔內(nèi)殘留的酸堿溶液清洗干凈(見圖5)。

4.2 對機(jī)械加工過程的改進(jìn)建議

建議機(jī)械加工過程控制產(chǎn)品的表面粗糙度，必要時(shí)表面進(jìn)行拋光處理。

5 結(jié)語

經(jīng)過試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論。

1)硬質(zhì)陽極氧化膜附著白色物質(zhì)的原因與零件裝夾掛具有直接關(guān)系，產(chǎn)品裝夾后兩端的尾翼孔形成了2個(gè)盲孔，一端盲孔朝上，氧化溶液清洗不凈，繼續(xù)與基體發(fā)生反應(yīng)形成硫酸鋁，干燥后形成白色物質(zhì)。

2)將掛具的接觸位置由面接觸改為了點(diǎn)接觸，保證溶液在孔中自由流動(dòng)，快速清洗干凈氧化溶液。在生產(chǎn)過程中，技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)工藝過程的管控，深入現(xiàn)場，關(guān)注細(xì)節(jié)，加強(qiáng)生產(chǎn)線的日常管理以及生產(chǎn)過程中的綜合治理工作，只有這樣才能使工藝過程受控，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。