鋁合金鉻酸陽極氧化工藝研究

趙青花 李宏偉

【摘 要】鉻酸陽極氧化工藝得到的氧化膜較薄， 一般只有1-5 μ m厚，膜層質軟，彈性高。具有不透明的灰白色至深灰色外觀。由于鋁在鉻酸氧化溶液中不易溶解， 形成氧化膜后， 仍然能保持零件的精度和表面粗糙度，因此， 鉻酸陽極氧化溶液適用于容差小、表面粗糙度低的零件以及鑄件、點焊件等。影響膜層性能的主要參數有：電流密度、溫度、氧化時間等。通過實驗，確定了適用于我單位產品的工藝配方和操作參數，所得膜層外觀質量、耐蝕性較好。

【關鍵詞】鋁合金；陽極氧化；鉻酸

鉻酸陽極氧化是鋁及鋁合金表面處理方法之一，我單位的某產品 殼體中有幾種零部件要求表面鉻酸陽極氧化。所得到的膜層外觀質量、防腐性能達到船舶相關行業標準。針對我廠產品所用的鋁鎂合金、鋁硅合金材料，研究制定相應的工藝方法。

一、采用的技術原理和關鍵技術

所用技術原理：

鋁及其合金在鉻酐電解液中，在特定的工藝條件下，由于外加電流的作用， 作為陽極在基材表面同時發生電化學反應和化學反應而生成一層無色氧化膜，，陽極反應：

H20-2e-=（0〕+2H+

2A1-3e一→A13+

2A1+3（0）=A1203

Al203+302-→Al2（S04）3+3H20

氧化膜由于其特殊的微觀結構而具有耐磨耐腐蝕絕緣性好吸附能力強等特性。

二、主要研究內容有

（一）選定所用工藝方法：溶液主鹽：鉻酐35～45g/L，作為電溶液主要成份，主要起增加溶液導電性的作用。電解液為酸性（pH=0.65～0.8）。在氧化過程中，鋁合金作為陽極，陰極用鉛板（只起導電作用），在整流電源的作用下，鋁合金陽極表面生成了結實的氧化鋁膜，同時在陽極上有氧氣析出，陰極上有氫氣析出， 同時在氧化膜/溶液界面上還發生氧化膜的溶解反應。二者同時進行，當膜的生成速度大于溶解速度時，膜的厚度才會不斷增長，氧化過程溶液溫度不斷上升。

鉻酐含量增加會提高氧化膜的溶解速度使膜層的生長速度減緩， 孔隙率加大；含量降低則生成的氧化膜致密性好，但膜層太薄。通過實驗，生產過程中控制在35～45g/L范圍內，所得膜層孔隙率低、厚度在2-5μm范圍內，符合產品使用要求。

（2）氧化操作參數的選取：電流密度： 0.2～0.6A/dm2，溫度： 36-40℃，氧化時間： 60min，在氧化開始15min內， 將電壓升至40V，在40V下氧化45 min至終點.

（3）影響膜層性能的主要參數有：

a）電流密度.它是陽極氧化的重要參數。在鉻酐含量35g/L，溫度37℃，氧化時間60min條件下氧化時（試件用5A06材質），隨著電流密度的提高，膜的生成速度加快，孔隙率增加：在高于0.7A/dm2時，溶液溫度上升較快，膜的溶解速度加快，膜層疏松質量下降，超過l.0A/dm2時，試件的尖角部位出現燒焦現象；若電流密度太低，則膜層增長速度慢，工作效率降低；因此，電流密度應控制在0.2～0.6A/dm2'范圍內加工的零件的膜層質量較好，工作效率也最佳。

b）溫度.氧化溫度是影響膜層質量的另一主要參數， 在鉻酐含量35g/L，電流密度0.4A/dm2，氧化時間60min條件下氧化時（試件用5A06材質），隨著溫度升高，膜的溶解加劇，膜層厚度降低，高于50℃時，膜層疏松出現掛灰現象，耐蝕性下降；溫度低于20℃時，工作效率降低， 膜層薄脆性增大，因此，最佳氧化溫度在36-40℃之間。

因此，生產線上配備了冷凍機、空氣攪拌等。

c）氧化時間。在鉻酐含量40g/L，溫度37℃，電流密度0.4A/dm2條件下氧化時（試件用5A06材質），隨著時間延長，膜厚增加，耐蝕性增加，氧化60min后膜厚不再增加。

d）材質成份。在鉻酐含量40g/L，溫度37℃，電流密度0.4A/dm2，氧化時間60min條件下氧化時，2A12材質所得膜層光澤度好，厚度最厚，抗腐蝕性最好，5A06材質所得膜層質量次之，ZAlSi7Mg材質所得膜層最差，光澤度暗，耐蝕性不如2A12膜層。

（二）氧化過程防止零件被擊穿

由于鉻酸氧化過程中電壓較高，因此，氧化過程應觀察電流表的變化，若電流突然上升，則說明零件局部氧化膜已被擊穿，此時應立即關閉電源，將零件取出，檢查表面氧化膜，若擊穿位置較小，不影響后續使用，則可以將零件氧化膜褪除，重新轉卡進行氧化。裝卡部位保證導電良好。

為避免此類現象的發生，在生產操作中應注意以下幾方面；

（1）所用工裝夾具要導電性較好，褪除舊的氧化膜；

（2）工裝與零件要保證裝卡牢固；

（3）同一掛架上不要裝卡兩種材質的零件；

（4）零件之間的裝卡部位不要太近；

（5）氧化過程要按照工藝要求給電，不可過快升高電壓。

（三）陽極氧化零件出現過腐蝕的原因

造成這種現象的原因是溶液中鉻酸含量過低，這時，氧化膜初期會出現黃色斑點，隨后逐漸腐蝕成深坑狀。

陽極氧化過程中鉻酸的消耗一方面是帶出消耗，另一方面消耗較大的是，在氧化過程中，溶解后的鋁離子在溶液中與鉻酸反應生成鉻酸鋁Al2（CrO4）3和堿式鉻酸鋁Al（OH）CrO4，這樣溶液中的游離的鉻酸會逐漸減少，繼而出現上述現象。為避免發生這樣的質量問題影響氧化膜質量，生產中應根據實際情況規定溶液的分析周期，分析化驗是非常必要的，掌握主要成分變化狀況，從而及時補充消耗掉的鉻酸，確保溶液在安全可行的范圍內。

（四）氧化溶液中有害雜質的去除

鉻酸陽極氧化溶液中常見的雜質又一下幾種：

（1）硫酸根離子。主要是鉻酐中帶入的，工業級的鉻酐中通常含有0.4%左右的硫酸。此外，就是所用自來水中的硫酸根帶入，因此，配置溶液，入氧化槽前的水洗工序盡可能用去離子水。

根據長期生產經驗總結，當溶液中硫酸根濃度超過0.75g/L后，氧化膜質量下降，膜層出現粗糙，光澤度降低。

溶液中硫酸根離子可以采用碳酸鋇沉淀法去除。按照1：1的比例加入計算量的碳酸鋇，不斷攪拌，使生成硫酸鋇沉淀，過濾去除。

（2）氯離子。氯離子主要由自來水帶入。它對氧化膜質量影響較大，通常在濃度超過0.2g/L時，膜層就會有腐蝕點、電壓上不去、電流密度升高等現象。

采用的去除方法有：

a.通電處理。將溶液加熱到70～80℃，通電處理溶液，使氯離子在陽極上氧化成氯氣從而逸出。

b.價鉻。三價鉻含量高主要是由于氧化過程中陰極、陽極比例配置不合理。氧化過程中，若陽極面積過小，陰極反應超過陽極上的氧化過程。生產過程中三價鉻含量不超過0.3g/L。含量過高時，可觀察到溶液顏色變深，影響成膜速度，膜層厚度降低。

去除方法：電解處理。用鐵板作為陰極，陽極面積相當于陰極面積40倍左右的條件下電解處理，三價鉻氧化成六價鉻。為防止三價鉻在溶液中的積累，日常生產中應注意陰、陽面積的比例，以1：（3-5）為宜。

三、結論

該工藝現已投入批量生產應用，經過一段時同的生產實踐，共加工零件125件（鑄件22件，其余為5A06），一次交驗合格率為100%。槽液穩定、易維護，所得膜層致密、連續均勻。適用于精密零件以及有氣孔的鑄件的防護，尤其是疲勞性能要求較高的零件.所獲得的氧化膜可保持零件精度、粗糙度、抗疲勞強度，與涂層的結合力好。所以該工藝在軍事裝各上用的較多。美國、俄羅斯和英國的鋁合金航空部件表面處理，一般都用該工藝。它除了生成鉻酸氧化膜起防護作用外，還可作為對部件質量的檢查手段，如部件上的針孔、裂紋等冶金缺陷。具有較好的應用前景。

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