恒定電流密度下鋁合金的硬質陽極氧化

  1　前言
　　在成都飛機工業公司與美國麥道公司合作生產MD90機頭的過程中，采用鋁合金硬質陽極氧化工藝。需滿足美方麥道工藝規范DPS10。01的要求，即成膜的電流密度為18。9A/dm2，最低不能低于9。9A/dm2，膜厚為45～55μm。而我公司及國內采用的工藝的成膜電流密度為2～6A/dm2。在較高電流密度（9。9A/dm2以上）進行陽極化時，零件的燒毀率很高，生產成本較高。因此，為達到美方的要求，且不提高生產成本，必須進行技術改造。


　　在高電流密度下形成厚膜的硬質陽極氧化主要采用以下2種方法。

　　①通過往電解液中添加適量的有機酸或有機化合物，以改善膜層質量，降低零件燒毀率。

　　②通過在不同試樣上施加不同波形的電流來改變膜的成長過程，以提高膜的質量，如交直流疊加、直流疊加方波脈沖等。

　　本文著重從改進陽極氧化電源入手，根據試樣（零件）燒毀率和美軍標MIL-A8625及美國麥道公司工藝標準DPS11。01評價膜層質量。


　　2　試驗
　　2.1　電解液配方
　　配方1：

　　硫酸　　　　 180～200g/L
　　草酸　　　　 8～15g/L
　　添加劑　　　 30g/L
　　溫度　　　　 -7～-8℃
　　配方2：

　　硫酸　　　　 280～300g/L
　　溫度　　　　 -7～-8℃

　　2.2　試樣材料及尺寸
　　2024—T3（鋁合金）　100mm×100mm ×6mm
　　7075—T6（鋁合金）　100mm×100mm ×6mm
　　2.3　工藝流程

　　裝掛→堿性清洗劑清洗→沖洗→堿腐蝕→沖洗→干燥→局部表面保護→硬質陽極化→沖洗→封閉→沖洗→干燥→拆卸→檢驗

　　2.4　電源
　　①直流電源
　　②直流疊加脈沖電源
　　該電源采用可控硅調壓，在直流基礎上加脈沖電流，通斷比為2。5：1。為意大利ELCA公司生產。

　　　③單相交直流疊加電源
　　此電源為可控硅調壓，整流器整流，主要采用直流和交流疊加在一起，正向電流與反向電流比為10∶1到8∶1。

　　
　　2.5　膜層性能檢測
　　2.5.1　耐磨性試驗
　　采用24塊100mm×100mm×6mm的試樣，在Taber磨損機上負荷10N，轉速70r/min，10000次循環測得數據的平均值。

　　2.5.2　膜厚的測量
　　采用顯微鏡金相法測定。


　　3　結果與討論
　　直流電源以及直流疊加脈沖電源氧化試驗的結果見表1、2，其燒毀率是以試樣和零件氧化時燒毀的實際數據統計而出。由表1、2可見，在較高電流密度（9。9 A/dm2）下，在有添加劑的配方1中所得膜層比在無添加劑的配方2的燒毀率稍低，但燒毀率仍太高，無法直接應用于生產。


　　表1　直流電源下鋁合金陽極化的燒毀率
　　──────────────────────
　　                       燒毀率
　　材料　　────────────────
　　              配方方1　　　　　配方2
　　──────────────────────
　　2024—T3　　　 45%　　　　　　 50%
　　7075—T6　　　 28%　　　　　　 30%
　　──────────────────────
　　電流密度為9。


9 A/dm2，電流上升時間為5 min。

　　表2　直流疊加脈沖電源下鋁合金陽極化的燒毀率
　　──────────────────────
　　　　　　　　　　    燒毀率　
      材料　　─────────────────
　　　　　　　 配方方1　　　　　　配方2
    ──────────────────────
　  2024—T3　　　 40%　　　　　　　 43%
　  7075—T6　　　 25%　　　　　　　 28%
    ──────────────────────

　　電流密度為9。9 A/dm2，電流上升時間為5、10、15 min，加入脈沖為10%、20%、30%。

　　在交直流疊加電源氧化的情況下，燒毀率幾乎為零。從4。4 A/dm2到9。9 A/dm2、18。9 A/dm2，不管是7075鋁合金還是含有高銅的鋁合金2024，膜層的耐磨性均達到DPS11。01和MIL-A-8625的要求。而且隨著電流密度的增加，膜層的耐磨性能不斷提高。在不同的電流密度下，含有添加劑的配方1中形成的膜層的耐磨性均比沒有添加劑的配方2中形成的高。在膜厚基本相同的情況下，高電流密度下的成膜時間比低電流密度下的要短得多。


　　根據以上試驗可以看出鋁合金試樣在不同波形電源產生的高電流密度下的燒毀率差異很大。這是因為在陽極化時試片表面通過較高電流，因氧化膜具有很在原電阻，而且陽極化過程中產生的熱量大多集中在試樣與電解液接角面之間不易散發，導致溫度上升，即所謂的界面溫度過高，可達上百度。因此在陽極化過程中，如果沒有足夠的散熱時間，會使氧化膜溶解加快，很容易會燒毀試樣。具體分析如下：


　　①在直流電源產生的高電流密度下，鋁 合金試樣在成膜過程中因為沒有足夠的散熱時間，造成界面溫度過高而燒毀試樣。

　　②直流疊加脈沖電源產生的高電流密度下，鋁合金試樣在成膜過程中，由于電源波形峰值電流密度很大，能促進膜的生長；底部電流密度小，有利于散發焦耳熱，降低界面溫度，使得膜不易被燒毀，但在高電流成膜的情況下仍然不能使界面溫度完全降低，故而試樣被燒毀的機率較大。

　③單相交直流疊加電源產生的高電流密度下，鋁合金試樣在成膜過程中，正向大電流時有利于氧化膜的生長，反向電流時膜層不溶解并且大大降低成膜過程中產生的焦耳熱，降低了界面溫度，保護膜不易被燒毀。另外，在反向電流時，試樣處于陰極狀態，電極反應有氫析出，初生的氫和氧在氧化膜孔隙中很快結成了水。由于減少了大量氣態的氫和氧，電解液比較容易接觸到鋁基體。并且由于膜孔中生成的水增加了電解液的流動性，改善了冷卻效果，降低了界面溫度，因此，試樣不會被燒毀。


　　另外從表3的試驗數據可以看出，較高電流密度下形成的膜層的耐磨性優于較低電流密度下的，這是因為鋁合金試樣在恒定電流密度下氧化成膜時，可以通過增加氧化化時間的處長而降低，時間達長會產生疏松的膜層。因此，提高電流密度可以縮短成膜時間，從而提高膜層耐磨性。


　　4　應用
　　成飛公司根據以上試驗結果在96年進行了技術改造，添置了一臺大功率的1000A。0～55V交直流硬質陽極氧化設備并按照美國軍標MIL-A-8625和美國麥道公司DPS11。01工藝規范評價了膜厚、膜重、耐磨和耐鹽霧性能。結果完全滿足MIL-A8625標準和DPS11。01工藝規范的要求，通過了美國麥道公司的工藝評審，已應用于轉包生產中。此電源在高電流密度下大大提高了生產效率，既縮短了工時又降低了能耗、節約了成本，自97年投產以來累計節省費用60多萬元。

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