恒定电流密度下铝合金的硬质阳极氧化?

  1　前言
　　在成都飞机工业公司与美国麦道公司合作生产MD90机头的过程中，采用铝合金硬质阳极氧化工艺。需满足美方麦道工艺规范DPS10。01的要求，即成膜的电流密度为18。9A/dm2，最低不能低于9。9A/dm2，膜厚为45～55μm。而我公司及国内采用的工艺的成膜电流密度为2～6A/dm2。在较高电流密度（9。9A/dm2以上）进行阳极化时，零件的烧毁率很高，生产成本较高。因此，为达到美方的要求，且不提高生产成本，必须进行技术改造。

　　在高电流密度下形成厚膜的硬质阳极氧化主要采用以下2种方法。
　　①通过往电解液中添加适量的有机酸或有机化合物，以改善膜层质量，降低零件烧毁率。
　　②通过在不同试样上施加不同波形的电流来改变膜的成长过程，以提高膜的质量，如交直流叠加、直流叠加方波脉冲等。
　　本文着重从改进阳极氧化电源入手，根据试样（零件）烧毁率和美军标MIL-A8625及美国麦道公司工艺标准DPS11。01评价膜层质量。

　　2　试验
　　2.1　电解液配方
　　配方1：
　　硫酸　　　　 180～200g/L
　　草酸　　　　 8～15g/L
　　添加剂　　　 30g/L
　　温度　　　　 -7～-8℃
　　配方2：
　　硫酸　　　　 280～300g/L
　　温度　　　　 -7～-8℃

　　2.2　试样材料及尺寸
　　2024—T3（铝合金）　100mm×100mm ×6mm
　　7075—T6（铝合金）　100mm×100mm ×6mm
　　2.3　工艺流程

　　装挂→碱性清洗剂清洗→冲洗→碱腐蚀→冲洗→干燥→局部表面保护→硬质阳极化→冲洗→封闭→冲洗→干燥→拆卸→检验

　　2.4　电源
　　①直流电源
　　②直流叠加脉冲电源
　　该电源采用可控硅调压，在直流基础上加脉冲电流，通断比为2。5：1。为意大利ELCA公司生产。
　　　③单相交直流叠加电源
　　此电源为可控硅调压，整流器整流，主要采用直流和交流叠加在一起，正向电流与反向电流比为10∶1到8∶1。
　　
　　2.5　膜层性能检测
　　2.5.1　耐磨性试验
　　采用24块100mm×100mm×6mm的试样，在Taber磨损机上负荷10N，转速70r/min，10000次循环测得数据的平均值。
　　2.5.2　膜厚的测量
　　采用显微镜金相法测定。

　　3　结果与讨论
　　直流电源以及直流叠加脉冲电源氧化试验的结果见表1、2，其烧毁率是以试样和零件氧化时烧毁的实际数据统计而出。由表1、2可见，在较高电流密度（9。9 A/dm2）下，在有添加剂的配方1中所得膜层比在无添加剂的配方2的烧毁率稍低，但烧毁率仍太高，无法直接应用于生产。

　　表1　直流电源下铝合金阳极化的烧毁率
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　　                       烧毁率
　　材料　　────────────────
　　              配方方1　　　　　配方2
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　　2024—T3　　　 45%　　　　　　 50%
　　7075—T6　　　 28%　　　　　　 30%
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　　电流密度为9。

9 A/dm2，电流上升时间为5 min。
　　表2　直流叠加脉冲电源下铝合金阳极化的烧毁率
　　──────────────────────
　　　　　　　　　　    烧毁率　
      材料　　─────────────────
　　　　　　　 配方方1　　　　　　配方2
    ──────────────────────
　  2024—T3　　　 40%　　　　　　　 43%
　  7075—T6　　　 25%　　　　　　　 28%
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　　电流密度为9。9 A/dm2，电流上升时间为5、10、15 min，加入脉冲为10%、20%、30%。
　　在交直流叠加电源氧化的情况下，烧毁率几乎为零。从4。4 A/dm2到9。9 A/dm2、18。9 A/dm2，不管是7075铝合金还是含有高铜的铝合金2024，膜层的耐磨性均达到DPS11。01和MIL-A-8625的要求。而且随着电流密度的增加，膜层的耐磨性能不断提高。在不同的电流密度下，含有添加剂的配方1中形成的膜层的耐磨性均比没有添加剂的配方2中形成的高。在膜厚基本相同的情况下，高电流密度下的成膜时间比低电流密度下的要短得多。

　　根据以上试验可以看出铝合金试样在不同波形电源产生的高电流密度下的烧毁率差异很大。这是因为在阳极化时试片表面通过较高电流，因氧化膜具有很在原电阻，而且阳极化过程中产生的热量大多集中在试样与电解液接角面之间不易散发，导致温度上升，即所谓的界面温度过高，可达上百度。因此在阳极化过程中，如果没有足够的散热时间，会使氧化膜溶解加快，很容易会烧毁试样。具体分析如下：

　　①在直流电源产生的高电流密度下，铝 合金试样在成膜过程中因为没有足够的散热时间，造成界面温度过高而烧毁试样。
　　②直流叠加脉冲电源产生的高电流密度下，铝合金试样在成膜过程中，由于电源波形峰值电流密度很大，能促进膜的生长；底部电流密度小，有利于散发焦耳热，降低界面温度，使得膜不易被烧毁，但在高电流成膜的情况下仍然不能使界面温度完全降低，故而试样被烧毁的机率较大。
　③单相交直流叠加电源产生的高电流密度下，铝合金试样在成膜过程中，正向大电流时有利于氧化膜的生长，反向电流时膜层不溶解并且大大降低成膜过程中产生的焦耳热，降低了界面温度，保护膜不易被烧毁。另外，在反向电流时，试样处于阴极状态，电极反应有氢析出，初生的氢和氧在氧化膜孔隙中很快结成了水。由于减少了大量气态的氢和氧，电解液比较容易接触到铝基体。并且由于膜孔中生成的水增加了电解液的流动性，改善了冷却效果，降低了界面温度，因此，试样不会被烧毁。

　　另外从表3的试验数据可以看出，较高电流密度下形成的膜层的耐磨性优于较低电流密度下的，这是因为铝合金试样在恒定电流密度下氧化成膜时，可以通过增加氧化化时间的处长而降低，时间达长会产生疏松的膜层。因此，提高电流密度可以缩短成膜时间，从而提高膜层耐磨性。

　　4　应用
　　成飞公司根据以上试验结果在96年进行了技术改造，添置了一台大功率的1000A。0～55V交直流硬质阳极氧化设备并按照美国军标MIL-A-8625和美国麦道公司DPS11。01工艺规范评价了膜厚、膜重、耐磨和耐盐雾性能。结果完全满足MIL-A8625标准和DPS11。01工艺规范的要求，通过了美国麦道公司的工艺评审，已应用于转包生产中。此电源在高电流密度下大大提高了生产效率，既缩短了工时又降低了能耗、节约了成本，自97年投产以来累计节省费用60多万元。