5052鋁合金硬質陽極氧化工藝研究

陳　梁，廖重重，劉晨岑，熊　雄，王　茜（比亞迪股份有限公司，廣東　惠州　516000）

?

5052鋁合金硬質陽極氧化工藝研究

陳梁，廖重重，劉晨岑，熊雄，王茜
（比亞迪股份有限公司，廣東惠州516000）

摘要：以硫酸為基礎電解液，同時混合加入草酸與添加劑，優化了電源參數及添加劑濃度配比，優化得出最佳工藝參數：10 g/L草酸和44 g/L添加劑，電流密度為3 A/dm2，氧化時間為40 min，占空比為80%。在該條件下得到的氧化膜厚度為40 μm，硬度為490 HV，氧化膜表面納米孔結構均勻致密。

關鍵詞：硬質陽極氧化；5052鋁合金；添加劑

0　引言

鋁及其合金具有密度小、質量輕的優點，且當前鋁的產量和用量僅次于鋼鐵，成為人類使用的第二大金屬[1]。但其硬度低，耐磨、耐腐蝕等性能較差。而硬質陽極氧化膜具有優良的絕緣、耐磨和耐腐蝕性能[2-3]，硬質陽極氧化膜厚度可達到40～200 μm[4]，使得硬質陽極氧化廣泛應用于飛機，紡織、食品、汽車等機械零部件表面防護方面。

目前，硬質陽極氧化通常采用硫酸為電解液[5]，這種電解液成本低，且生產槽液成分、濃度等易于管控。在特殊要求情況下，為了進一步提高膜層的硬度等往往需要添加有機物、無機鹽等，也有單獨采用純有機酸作為電解液[6]。硬質陽極氧化另一個重要工藝參數為電源輸出參數，通常采用的有直流、交流、交直流疊加，正脈沖、正負脈沖，直流疊加脈沖等電源[7]。本實驗所采用的為單向正脈沖電源。

1　實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗所用材料為5052鋁合金（化學成分如表1所示），切割為120 mm×100 mm的鋁片。

表1　5052鋁合金的化學成分

采用正向單脈沖電源，氧化槽內掛具為鈦合金材質，氧化槽容量為200 L。

1.2實驗方法

以5052鋁合金為材料，應用控制變量法研究電流密度、草酸及添加劑濃度、氧化時間、占空比對硬質陽極氧化膜層機構性能的影響，優化得到最佳工藝。

1.3實驗流程

圖1　硬質陽極氧化流程圖

具體步驟中所用到的藥品成分如下：

除油：NaOH、Na2CO3及Na3PO4等；

堿蝕：NaOH；中和：HNO3；

化拋：H3PO4和H2SO4；

電解液：H2SO4、C2H2O4及添加劑；

封孔劑：ODM SEAL R-5。

1.4檢測方法

膜厚：首先將氧化后的試樣進行切片處理，然后通過蔡司光學儀器國際貿易有限公司提供的AxioImagerAlm型金相顯微鏡測量膜層厚度。

顯微硬度：采用上海奧龍星迪檢測設備有限公司提供的HV-100型顯微維氏硬度計測量表面硬度，壓力為100 g，保壓時間10 s。

形貌：通過場發射掃描電鏡觀察膜層表面納米孔結構，放大倍數為×100，000。

2　實驗結果與討論

2.1電流密度對氧化膜的影響

為了驗證草酸和添加劑對硬質陽極氧化膜的結構和性能的影響，首先采用純硫酸電解液作為參考，以電流密度為研究變量，所采用硫酸濃度為170 g/L，電流密度分別為2 A/dm2、3 A/dm2、4 A/dm2、5 A/dm2、6 A/dm2、7 A/dm2，通過冷卻機控制氧化時電解液的溫度在（9±1）℃，電源為單項正脈沖波型。

從圖2中可以看出隨著電流密度的逐漸增大，膜層的厚度也是逐漸的增加，膜層的最大厚度為接近96 μm。

圖2　電流密度-膜厚圖

從圖3中可看出，硬度先增大然后逐漸減小，當電流密度為3 A/dm2時硬度最大，最大值為393 HV。隨后降低的主要原因在于電流密度增大，產生的焦耳熱也增多，對氧化膜納米孔的溶液加大，膜層反而變得疏松，硬度出現下降。

圖3　電流密度-硬度圖

圖4　時間-膜厚圖

圖4　時間-硬度圖

2.2混合添加劑條件下氧化時間對硬質膜層的影響

參照上述純硫酸電解液的硬質氧化結果，將電流密度設定為3 A/dm2，添加劑濃度分別為：10 g/L草酸和44 g/L添加劑。

從圖4中可發現：氧化時間越長膜層也就越厚，氧化時間為20 min時膜層厚度為16 μm；當氧化時間為60 min時，膜層厚度達到63 μm。與圖1相比，當氧化時間為40 min時，膜層厚度為40 μm，比未添加添加劑的厚度大2 μm，說明添加的添加劑能促使膜層的生長，減緩酸對膜層的腐蝕。

從時間-硬度曲線圖5中可看出：添加添加劑后膜層的硬度整體上升較大，不同時間的膜層硬度均高于400 HV；而未添加添加劑時，不同電流密度下最高硬度僅393 HV。添加添加劑后硬度隨著時間的延長先升高后降低，其中當氧化時間為40 min時硬度最高，高達491 HV。說明添加劑的使用使得氧化膜層更加致密。圖6為氧化時間為40 min時硬質陽極氧化膜表面SEM照片，氧化膜納米管結構較均勻致密，納米孔的孔徑約25 nm，納米管管壁厚度約25 nm。

圖6　硬質陽極氧化膜層表面SEM照片

2.3混合添加劑條件下脈沖波占空比對硬質膜層的影響

占空比指每個脈沖周期內通電時間占一個周期的比例。在每個周期內，未通電的過程有利于焦耳熱的散失，可避免因氧化膜表面溫度過高而加速氧化膜的溶解。但當占空比過小時，平均電流密度也就更小，酸對氧化膜的腐蝕更明顯，使氧化膜的致密性降低，對氧化膜的硬度、耐磨性反而不利。

圖7　占比空-膜厚圖

從圖7中可發現：占空比越大，膜層也越厚。說明占空比的增加能促使氧化膜的生長，原因在于平均電流密度隨著占空比的增加而增大，同時電流密度的增加而使焦耳熱的增多并沒有影響到氧化膜繼續生長。

圖8　氧化膜與占空比的關系曲線

從圖8中可以看出:硬質氧化膜隨占空比的增加，先上升后出現略微下降。當占空比為80%時，氧化膜的硬度最高，達490 HV，說明此時的硬質膜層最致密，之后雖然膜層的厚度出現了增加，但過高的平均電流密度反而加劇了氧化膜納米孔內部的溶解，使得氧化膜的致密性下降。

3　結論

從氧化膜厚度及硬度數值上看出，草酸與添加劑促進氧化膜厚度的增加，且使得氧化膜更加致密，氧化膜的硬度得到了提高。氧化時間的延長、電流密度的增加及占空比的增大均能促使膜層加厚，但硬度卻有一個最佳值。最佳工藝參數為：10 g/L草酸和44 g/L添加劑，電流密度為3 A/dm2，氧化時間為40 min，占空比為80%。在該條件下得到的氧化膜厚度為40 μm，硬度為490 HV，氧化膜表面納米孔均勻致密。

參考文獻：

[1] Zhou W Q，Shan D Y，Han E H，et al. Structure and formation mechanism of phosphate conversion coating on die-cast AZ91D magnesium alloy[J]. Corrosion Science，2008，50（2）:329-337.

[2] Liu J H，Li M，Li S M，et al．Effect of the microstructure of Al 7050 -T7451 on anodic oxide formation in sulfuric acid［J］．International Journal of Minerals，Metallurgy and Materials，2009，16（4）: 432-438.

[3] Wang Z J，Wu L，Qi Y L，et al．Self -lubricating Al2O3/ PTFE composite coating formation on surface of aluminiumalloy[J］. Surface＆Coatings Technology，2010，204:3315-3318.

[4]李賢成.鋁件常溫硬質陽極氧化[J].電鍍與環保，2011，177（31）: 49-50.

[5] Patermarakis G. Aluminium anodising in low acidity sulphate baths: growth mechanism and nanostructure of porous anodic films[J]．J Solid State Electro Chem，2006，（10）: 211- 222.

[6]李異．金屬表面轉化膜技術[M]．北京:化學工業出版社，2009: 174-179．

[7]王弟珍.鋁合金交流硬質陽極氧化技術的研究和應用[J].涂裝與電鍍，2008，（2）:23-26.

Study of Hard Anodizing of 5052 Aluminum Alloy

CHEN Liang，LIAO Chong-chong，LIU Chen-cen，XIONG Xiong，WANG Qian
（BYD Company Ltd., Huizhou, Guangdong 516000, China）

Abstract：The base electricity of experiment is sulfuric acid. Oxalate and additive are added into electrolyte. Optimizing power parameter and the concentration of additive to reach the best parameter that 10 g/L oxalate, 44 g/L additive, current density was 3 A/dm2, time of anodizing was 40 min, duty ratio was 80%. The thickness of oxidization film was 40 μm. The hardness of oxidization film was 490 HV. The structure of nano-hole was very uniform and dense.

Keywords：hard anodizing; 5052 aluminum alloy; additive

作者簡介：陳梁（1976-）男，遼寧人，高級工程師，主要從事表面處理的研究。E-mail:chen.liang3@byd.com。

文章編號：1006-4184（2016）3-0038-04

修回日期：2015-09-29