铝合金硬质阳极氧化常见缺陷的原因分析及措施

铝合金硬质阳极氧化常见缺陷的原因分析及措施

陈超

（新乡航空工业（集团）有限公司   新乡  453049）

摘要：铝合金硬质阳极氧化可增强零件耐磨性，绝缘性，抗腐蚀能力等。通过具体实例介绍铝及铝合金硬质阳极氧化日常生产中常见典型缺陷，详细分析了问题产生的原因以及提供解决措施，以便实际生产中加以借鉴。

关键词：铝合金；硬质阳极氧化； 膜层缺陷

Cause analysis and measures of common defects in hard anodizing of aluminum alloy

CHEN Chao

( AVIC Xinhang  Aviation Industry (Group) CO., LTD, Xinxiang, 453049)

Abstract: Hard anodizing of aluminum alloy can improve the wear resistance,insulation and corrosion resistance of parts. The common typical defects in the daily production of hard anodizing of aluminum and aluminum alloys are introduced through the actual examples,and the causes of the problems are analyzed in detail and the measures are provided for reference in actual production.

Keywords: aluminum alloys，hard anodizing，coating defects

引言

铝及铝合金具有比强度高，塑性好，导电，导热性能优异，以及优良的加工性能和耐蚀性能，是广泛应用于各种工业领域，特别是航空、航天工业中的有色金属材料[1]。

铝合金硬质阳极氧化又称厚层阳极氧化，氧化膜厚度可达250um。膜层具有硬度大，耐磨、绝缘、耐热、耐蚀等特点。因此，硬质阳极氧化在航空机载系统产品中广泛应用。但在实际生产中，硬质阳极氧化膜也经常产生一些膜层缺陷导致产品返工或报废。膜层缺陷包括颜色不均匀、白点、烧蚀等，这些缺陷大都是铝合金表面加工过程质量问题和铝合金材料组织异常引起的。本文将通过实例介绍各种阳极氧化膜缺陷及其产生的原因，并提出改进措施，以提高产品硬质阳极氧化膜的膜层质量。

1硬质阳极氧化机理及过程

1.2硬质阳极氧化机理

在外加电压的作用下，铝及其合金在电解溶液中作为阳极，失去电子发生氧化反应，从金属点阵中逸出变成Al3+，然后与O2-相结合而形成了氧化膜，其电极反应可简单描述为：

Al - 3e = Al3+

2Al3+ + 3O2- = Al2O3

与此同时，在外加电场或电解液介质溶解的作用下，形成的氧化膜也会发生电化学溶解或化学溶解，其中化学溶解发生在多孔型膜的所有面上，而电化学溶解取决于电场的方向，溶解电流基本上使得孔底的氧化膜溶解，其反应式如下：

Al2O3 + 6H+ → 2Al3+ + 3H2O

因此阳极氧化膜在生长的过程中还伴随着氧化膜层的溶解，所以会有多孔层形成，而在实际阳极氧化过程中，并不是单纯的只发生上述电极反应，电解液溶液往往也会参与氧化膜的形成过程中，阴离子硫酸根也会参与到整个阳极氧化过程中，最终生成含有硫酸根的阳极氧化膜[2]。

1.2硬质阳极氧化过程

铝及铝合金硬质阳极氧化生产工艺流程为：氧化前验收→装挂→化学除油→热水洗→冷水洗→水膜连续检测→三酸脱氧→冷水洗→硬质阳极氧化→冷水洗→吹干→拆卸→检验。

获得硬质阳极氧化膜可采用的电解液有许多种，常用的有硫酸、丙二酸、苹果酸、磺基水杨酸以及混合酸等。本文研究的硬质阳极氧化电解液采用硫酸，直流电源，在氧化过程中，在压缩空气搅拌及制冷机的作用下，温度控制在-4～2℃内，采用恒流操作法，电流密度为2～3A/dm2，零件下槽通电后30分钟升到电流，保持电流强度至阳极氧化结束。

2铝合金硬质阳极氧化常见缺陷及解决措施

2.1零件膜层颜色不均匀

2A70铝合金零件在表面硬质阳极氧化后，同槽零件时常出现表面颜色不均匀现象。通过故障树方法，在排除工艺文件、工艺设备、人员等事件，明确该类缺陷主要是由于热处理固溶不充分，材料微观组织不一致，导致零件表面硬质阳极氧化后膜层厚度不一致，进而导致硬质阳极氧化膜表面外观颜色不均匀。

针对该缺陷，经过实践证明，在零件加工前热处理工序，应明确装炉方式、零件间隔，并根据零件大小确定装炉量，以及严格把控冷却水温度，从而提升热处理固溶效果，减少难溶相得形成，可保证硬质阳极氧化膜层质量。

2.2零件膜层表面白点

在零件验收时，铝合金零件在表面处理后，膜层表面有白点现象，2XXX系铝合金零件尤甚。经理化分析确认，该类白点为腐蚀斑点，该白点带有典型的尾丝或尾线。主要原因及解决措施如下：

其一，零件在阳极氧化前，零件表面已经存在腐蚀点。应在氧化前加强氧化前验收，对腐蚀点部位采用机械方法去除腐蚀点。同时，采用机械方法清理表面，不允许使用含铁丝等研磨剂作为机械清理方式，因为铁可能会嵌入铝基体中，会加速铝合金的腐蚀；其二，在零件机加工过程中，加强过程防护，及时清洗干燥等，防止因防护不当造成零件表面形成腐蚀点；其三，在阳极氧化过程中，槽液中存在杂质离子，如Cl-，可能会在零件表面形成局部腐蚀点，最终在氧化膜表面形成白点现象。在槽液配制用水时应采用A类水，清洗用水采用B类水。

2.3零件边缘膜层脱落

为保证产品表面有较高的光洁度以满足产品性能要求，零件在硬质阳极氧化后需要进行研磨加工。部分产品下工序反馈研磨后出现掉块脱落现象。硬质阳极氧化时，因电流大，产生的热量也较大，在尖边部位，易产生电流集中现象，产生角落效应，形成有缺陷的膜，而氧化膜本身又具有脆性，当碰到其它物体或研磨时，氧化膜就易出现掉块脱落现象。

针对该缺陷产生的原因，实际生产中常用处理方法为：其一，硬质阳极氧化膜的成功应用，取决于正确的产品，因为硬质阳极氧化处理会在尖角和锐边产生凹坑。设计在产品设计方案阶段，需要硬质阳极氧化的零件，尖角和锐边应当予以避免，要求棱边必须倒圆处理，不应使用倒角，除非倒角后形成的锐边进行了倒圆，且半径不能小于0.5mm；其二，若无特殊要求，可推荐氧化膜厚度20～40um范围内。

2.4零件烧伤

零件在硬质阳极氧化时，由于会产生高温，会导致阳极氧化膜出现破裂以及溶解，即出现“烧伤”现象。以笔者多年工作经验，主要存在以下原因：其一，由于溶液需强烈搅拌，装夹如不牢固，零件会松动，由于此处无氧化膜，电流容易集中，造成零件烧蚀。因此零件装挂时，一定要检查零件是否有松动现象，该现象应避免，才能保证氧化膜质量；其二，单个零件具有较大的表面积，装夹时接触点数量不够。在表面积大的零件上面，接触点的面积和数量应大一些。因为电流密度是阳极氧化铝合金每平方分米上所需电流的大小，所以表面积为另一零件2倍的零件所需的电流也是该零件的2倍。小的接触点面积对小的表面积零件时足够的，但试图通过同样的接触点面积施加大面表面零件所需的更大电流就可能导致烧伤零件；其三，零件材料牌号含铜量或含碳量高，按常规工艺操作，也易出现烧蚀现象，主要因铜或硅等元素均为铝合金阳极氧化不利元素，在氧化时不能生成氧化膜，容易电流集中，进而烧蚀零件。所以在遇新材料牌号时，应先以低的电流密度或电流上升速度，摸索出较优的工艺参数后，再进行正规零件生产，以防出现成批报废现象。

2.5氧化膜厚度不够

氧化膜厚度作为批次性验收项目，每批零件均需进行厚度检验，检验方式包括金相法和涡流测厚仪法。则日常生产中会遇见零件厚度不够现象。主要原因及措施包括：其一，因技术人员因素，零件表面积计算错误，造成操作时实际电流密度较小，导致在同等时间厚度不够；其二，氧化时间太短，为确定具体阳极氧化时间，可采用单位时间内计算成膜率为基础的计算方法准确确定所需的阳极氧化时间。

3结论

1）随着表面处理设备，操作人员，过程控制越来越科学，表面处理常见问题缺陷产生的主要原因已逐渐从前处理不彻底转变成材料本身缺陷及产品结构等方面；

2）表面处理常作为零件加工的最终工序，零件加工过程的零件防护亦是获得合格表面处理镀覆层的前提条件；

3）主要分析了日常生产中常见的膜层故障，以及相应的解决措施，为后续生产过程中加以借鉴及过程控制，防止出现类似问题。

参考文献

[1]  刘道新.材料的腐蚀与防护[M].西安：西北工业大学出版社，2010.1

[2]  罗兆柱.  铝合金阳极氧化膜硅烷改性的研究[D]. 哈尔滨工程大学工学硕士学位论文, 2018.3