喻 嵐，袁景追

（中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009）

引言

在一定的電解質(zhì)溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化后，在鋁合金表面上形成硬度很高的氧化膜層，膜層具有高電絕緣性、強(qiáng)耐磨性、耐熱性和耐腐蝕能力。膜層與基體結(jié)合力良好，多孔，吸附能力強(qiáng)，易吸附油和蠟?？山邮苣ハ鹘Y(jié)果，但性脆，并隨膜層厚度的增加，脆性加大。

1 問(wèn)題提出與目標(biāo)設(shè)定

由于在實(shí)際加工過(guò)程中沒(méi)有對(duì)膜層的硬度值提出規(guī)定，未對(duì)硬度進(jìn)行控制導(dǎo)致硬度值波動(dòng)較大。同時(shí)，產(chǎn)品工作一個(gè)壽命后，部分產(chǎn)品因磨損導(dǎo)致間隙超差而報(bào)廢，說(shuō)明如需提高產(chǎn)品的使用壽命，需要提高產(chǎn)品的耐磨性能減少磨損。為確認(rèn)現(xiàn)有6061鋁合金產(chǎn)品硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層的性能與樣件之間的差異進(jìn)行了厚度、硬度分析，其中陽(yáng)極化厚度均能滿足要求，具體硬度分析具體值見表1。

表1 現(xiàn)有零件與樣件硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層硬度分析值

通過(guò)對(duì)比分析可見，樣件膜層硬度值在最大、最小、平均值方面均優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品的膜層硬度值。

根據(jù)上述實(shí)際情況并結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19822（鋁及鋁合金硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜規(guī)范）規(guī)定[1]，對(duì)現(xiàn)有鋁合產(chǎn)品進(jìn)行了梳理和目標(biāo)設(shè)定，目標(biāo)位“硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層硬度（HV）到400～600”。

2 鋁合金硬質(zhì)陽(yáng)極化工藝機(jī)理分析與討論

2.1 硬質(zhì)陽(yáng)極化工藝機(jī)理

將鋁合金置于適當(dāng)?shù)碾娊庖褐凶鳛殛?yáng)極電解處理，稱為陽(yáng)極氧化。主要為電化學(xué)反應(yīng)和溶解反應(yīng)。陽(yáng)極化的電解液一般為酸性，鋁零件作為陽(yáng)極，鉛作為陰極，在通電的條件下H2O放電生成原子態(tài)的氧。原子態(tài)的氧具有很強(qiáng)的氧化能力，在外電場(chǎng)的作用下，會(huì)從電解液/金屬界面上向內(nèi)擴(kuò)散，與鋁作用形成氧化物并大量放熱。由于在酸性溶液中氧化膜的生成和溶解是同時(shí)進(jìn)行的，只有當(dāng)膜的生成速度大于膜的溶解速度是膜層才能不斷增厚。通電開始的幾秒到幾十秒時(shí)間內(nèi)，電壓隨著時(shí)間急劇增加到最大值，說(shuō)明在陽(yáng)極化表面形成了連續(xù)的無(wú)孔的薄膜層，具有較高的電阻，稱為阻擋層。阻擋層的厚度與形成電壓成正比，形成電壓越高，阻擋層越厚；而與氧化膜在溶液中的溶解速度成反比。陽(yáng)極電壓達(dá)到最大值后開始有所下降，這時(shí)由于阻擋層膨脹而變得凹凸不平，凹處電阻較小而電流較大，在電場(chǎng)作用下發(fā)生電化學(xué)溶解，以及溶液侵蝕的化學(xué)溶解，凹處不斷加深而出現(xiàn)孔穴，這時(shí)電阻減小而電壓下降。多孔層增厚，大約在陽(yáng)極化20 s后，電壓趨于平穩(wěn)，隨著氧化的減小，電壓稍有增加，但幅度很小。說(shuō)明阻擋層在不斷的被溶解，孔穴逐漸變成孔隙而形成多孔層，電流通過(guò)每一個(gè)膜孔，新的阻擋層又在生成。這時(shí)阻擋層的生長(zhǎng)和溶解的速度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，阻擋層的厚度保持不變，而多孔層則不斷增厚。

2.2 陽(yáng)極化膜層結(jié)構(gòu)

鋁合金陽(yáng)極化膜由阻擋層和多孔層所組成。阻擋層是薄而無(wú)孔的，而多孔層則由許多六棱柱體的氧化物單元所組成，形似蜂窩狀結(jié)構(gòu)。每個(gè)單元的中心有一小孔直通鋁表面的阻擋層，孔壁為較致密的氧化物。

2.3 分析討論

通過(guò)機(jī)理分析，改善硬質(zhì)陽(yáng)極化工藝主要有幾個(gè)方面：槽液體系方面，適當(dāng)溶液體系以降低電解液對(duì)膜的溶解速度，提高槽液溫度范圍，加快膜的形成速度，從而改變膜的表觀狀態(tài)；電流效應(yīng)，通過(guò)電流得到陽(yáng)極化膜層的電壓，保證一段時(shí)間內(nèi)的電壓上升來(lái)保證阻擋層的形成；槽液溫度上升會(huì)加速溶解反應(yīng)，降低槽液溫度減緩溶解反應(yīng)；加工時(shí)間，由于在酸性溶液中氧化膜的生成和溶解是同時(shí)進(jìn)行的，所有需要一定的加工時(shí)間來(lái)保證膜層厚度要求。

在諸多影響硬質(zhì)陽(yáng)極氧化過(guò)程的工藝因素中，溶液組成和濃度是必須提前確定的，在硬質(zhì)陽(yáng)極化溶液體系中，基本分為2種，純硫酸或有添加劑的混合酸溶液體系，由于溶液體系的不同，對(duì)于槽液溫度如純硫酸體系溫度一般在-5～0℃，而混合酸溶液體系溫度可以達(dá)到15～20℃，研究結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)提高電流密度，膜的成長(zhǎng)速度加快，氧化時(shí)間可以縮短。在膜厚相同的情況下，較高電流密度將取得較硬的氧化膜。因此，不管是從膜層質(zhì)量還是加工效率上考慮，總希望采用較高的電流密度。

在陽(yáng)極氧化過(guò)程中，阻擋層的形成和溶解同時(shí)發(fā)生，并保持一定厚度不變，隨著氧化過(guò)程的進(jìn)行，孔的深度不斷增加，當(dāng)電流密度較高時(shí)，因電流集中于孔里，孔底溫度因焦耳熱而升高，這時(shí)高溫溶液的化學(xué)溶解作用使氧化膜的中心區(qū)域遭到破壞，同時(shí)膜的表面部位及孔壁長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫的溶液里，表面部位的孔徑變得大于孔底直徑，氧化膜的機(jī)械性能，形成粉狀膜，此時(shí)膜的溶解速度大于成膜速度。如上所述，當(dāng)前硬質(zhì)陽(yáng)極氧化技術(shù)的研究熱點(diǎn)實(shí)際就是為了解決高的電流密度需求和膜層溶解加劇的矛盾[2-6]。

3 數(shù)據(jù)收集計(jì)劃及實(shí)施

3.1 數(shù)據(jù)收集方案

為了改進(jìn)硬質(zhì)陽(yáng)極化工藝，對(duì)現(xiàn)有硬質(zhì)陽(yáng)極化工藝按流程進(jìn)行梳理，如圖1所示。

根據(jù)前期收集的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，目前參數(shù)加工產(chǎn)品與樣件產(chǎn)品之間存在差異但差異不大，但存在波動(dòng)，故本次研發(fā)的重點(diǎn)在于，尋找差異點(diǎn)，找到波動(dòng)源，確認(rèn)影響硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層硬度的主要因素并進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 制訂數(shù)據(jù)收集計(jì)劃及相關(guān)數(shù)據(jù)收集

根據(jù)硬質(zhì)陽(yáng)極化加工流程圖及機(jī)理分析，對(duì)影響硬質(zhì)陽(yáng)極化工序的影響因素進(jìn)行了分析，確定了數(shù)據(jù)收集計(jì)劃并進(jìn)行數(shù)據(jù)收集見表2。

表2 數(shù)據(jù)收集表

按此要求共計(jì)收集數(shù)據(jù)39組。

3.3 檢驗(yàn)方法驗(yàn)證

為確保收集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對(duì)硬度檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，采用Minitab軟件Gage R&R的方法來(lái)進(jìn)行分析，收集2名操作者測(cè)量同一樣本的數(shù)，見表3。通過(guò)Gage R&R方法的分析得出，Gage R&R%研究變異（%SV）為56.7%＞30%，NDC=1＜4，測(cè)量系統(tǒng)不可以接受。由于測(cè)量系統(tǒng)不合格，針對(duì)該問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法進(jìn)行全面分析，分析發(fā)現(xiàn)存在：讀數(shù)不精、硬度測(cè)量位置隨意、測(cè)量點(diǎn)不一致的問(wèn)題。

表3 顯微硬度檢查結(jié)果（測(cè)量系統(tǒng)改善前）

針對(duì)測(cè)量系統(tǒng)不合格問(wèn)題制訂的改進(jìn)措施為：讀數(shù)：小數(shù)點(diǎn)后1位不進(jìn)行圓整，直接讀取電腦顯示數(shù)據(jù)，此條款僅在測(cè)量系統(tǒng)分析時(shí)采用。測(cè)量位置：根據(jù)后續(xù)機(jī)加要求（研磨掉一半的硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層）故選取硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層中間區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量點(diǎn)：選取同樣的點(diǎn)，2名操作者同時(shí)進(jìn)行讀取。

改善測(cè)量系統(tǒng)后，按新要求對(duì)原樣本2名操作者重新測(cè)量，通過(guò)Gage R&R方法的分析得出，Gage R&R%研究變異（%SV）為16.7%＜30%，NDC=4=4，測(cè)量系統(tǒng)可以接受，數(shù)據(jù)可用。

3.4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)一段時(shí)間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集并將硬度值的最小值繪制了時(shí)間序列圖，見圖2。

從圖2明顯可見，現(xiàn)有產(chǎn)品硬度值總體偏下，但在前期收集的硬度（HV）數(shù)據(jù)中可見400以上的值為多數(shù)，最高值460，現(xiàn)有配方、參數(shù)預(yù)計(jì)可以達(dá)到硬度（HV）在400~600。因此采用Minitab軟件中的回歸分析、單因子分析、多元回歸分析等分析與計(jì)算，結(jié)論見表4。通過(guò)數(shù)據(jù)分析所得結(jié)論與機(jī)理分析所得結(jié)論基本一致。

表4 關(guān)鍵因素確定

確定關(guān)鍵因素后，根據(jù)關(guān)鍵因素制訂改進(jìn)措施。在確認(rèn)關(guān)鍵后，對(duì)硫酸濃度、電流密度、槽液溫度、加工時(shí)間重新收集最新數(shù)據(jù)，并于對(duì)應(yīng)的加工批次的硬度值采用Minitab軟件中擬合線等分析方法，分別繪制了關(guān)鍵要素的擬合線圖和箱線圖，如圖3所示，通過(guò)圖3可明顯得出現(xiàn)有工藝參數(shù)的條件下的最優(yōu)參數(shù)。

4 工藝驗(yàn)證

按表4得出的最佳工藝參數(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了驗(yàn)證，具體結(jié)論見表5。結(jié)果均滿足膜層硬度（HV）值在400~600之間。

表5 工藝驗(yàn)證結(jié)果

將本次改進(jìn)共計(jì)收集23組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行繪制后，明顯可見，措施實(shí)施后，硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層硬度（HV）均在400以上，如圖4所示。膜層硬度值下限值明顯得到了提升。

5 結(jié)論

1）通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)分析、回歸分析、多元回歸分析等分析與計(jì)算，找到引起硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層硬度值波動(dòng)的關(guān)鍵因素。

2）通過(guò)對(duì)關(guān)鍵因素的改善，減少了硬質(zhì)陽(yáng)極化膜層硬度值波動(dòng)，提升了膜層硬度值的下限。