曹歆昕;李吉丹;张晶;魏翀;陈伟;范成荣
【摘 要】采用正交试验分析了2A12铝合金硬质阳极氧化的工艺参数,研究了电流密度、硬质阳极氧化时间及硫酸浓度对膜层显微硬度及厚度的影响规律.结果表明,电流密度对硬质阳极氧化膜厚度影响相对较大,硫酸质量浓度对硬质阳极氧化膜的显微硬度的影响显著.最佳的氧化工艺参数为:电流密度3.0 A/dm2,氧化时间t为70 min,硫酸质量浓度240 g/L.该工艺参数下得到的硬质氧化膜平均硬度可达352 HV,膜层厚度δ可达60 μm,膜层致密,厚度均匀,综合性能优异.%Process parameters of 2A12 aluminum alloy hard anodic oxidation were optimized through orthogonal experiment.The effects of current density,oxidation time and sulfuric acid concentration on oxidation film thickness and micro-hardness were studied respectively.The result showed that the current density had the great effect on the thickness of the oxide film.The sulfuric acid had the great effect on the hardness of the oxide film.The optimal technological parameter for oxidation was as follows:current density was 3.0 A/dm2,oxidation time was 70 min,sulfuric acid concentration was 240 g/L.Under these proc ess conditions,the average hardness of generated film can reach 352 HV,the thickness of film can reach 60 μm,the film is dense and with uniform thickness.The comprehensive performance of the oxide film is excellent.
【期刊名称】《电镀与精饰》
【年(卷),期】2017(039)009
【总页数】4页(P38-41)
【关键词】电梯箱硬质阳极氧化;2A12铝合金;工艺参数
【作 者】曹歆昕;李吉丹;张晶;魏翀;陈伟;范成荣酚醛纸板
【作者单位】首都航天机械公司,北京100076;首都航天机械公司,北京100076;首都航天机械公司,北京100076;首都航天机械公司,北京100076;首都航天机械公司,北京100076;首都航天机械公司,北京100076
【正文语种】中 文
【中图分类】TG174.451
铝合金硬质阳极氧化工艺具有氧化膜厚、硬度高、耐磨性好和抗蚀能力强等优点，因此广泛应用于军事及民用领域，如汽车、船舶、武器及火箭等[1-2]。2A12属Al-Cu系铝合金通过热处理可获得较高的硬度，并具有优异的机加工及焊接性能，因而在各领域得到广泛应用[3-6]。但2A12含铜量较高，铜的质量分数为3.8%～4.9%，较多的CuAl2相。在硬质氧化过程中该相会聚集电流，导致局部过热，溶解速度过快，甚至烧蚀零件[7]。为解决这一问题，很多专家学者开展了含铜量较高的铝合金硬质氧化研究。张允诚等[8]采用高浓度硫酸溶液进行氧化处理，最高质量浓度甚至达到350g/L。莫伟言等[9]采用槽液中添加有机酸的方式来提高铝铜合金膜层硬度。但有机酸浓度不容易检测，而且溶液电阻较高，能源消耗较大，因此很难在工业生产中得到推广。张宏祥[10]、刘佑厚等[11]研究不同电流波形对铝合金硬质氧化膜层性能的影响。研究表明，采用直流叠加脉冲比直流波形更有利于获得高硬度高耐磨性的硬质氧化膜层。顾琳[12]、庞国星等[13]分别研究了氧化温度及氧化时间对2A12铝铜合金膜层性能的影响，研究均取得了很好的成果。但由于仅考虑了单一工艺参数变化对膜层性能的影响，未考虑各工艺参数之间的交互作用，因此不利于提高2A12铝合金膜层性能。
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本文采用硫酸作为槽液，其成分简单，溶液电阻小，耗能低，槽液容易维护，因此更有利于在工业生产中推广。通过综合研究2A12铝合金膜层性能随工艺参数变化的规律，得到最佳的硬质阳极氧化工艺参数，并对其进行了验证。
1.1 实验材料及设备
材料为2A12铝合金，其成分见表1。试样尺寸为d 60mm×5mm。YSK自动控制阳极氧化电源(北京金电源伟创氧化科技有限公司)、PVC氧化槽、压缩空气搅拌及铅板阴极。
1.2 工艺及测试方法
硬质阳极氧化工艺流程：化学除油→出光→硬质阳极氧化→封闭。
试样经剖切后，按照金相试样的要求磨平、抛光。使用PME倒置显微镜(OLYMPUS公司)测量膜层的厚度，测量精度为1μm。测量每个试样的膜层截面厚度，每个试样选取5个不同区域的膜层进行测量，并计算平均膜层厚度值进行记录。使用EVER ONE MH-6显微硬度计(上海恒一公司)测量膜层的显微硬度。测试载荷为0.98N，加载时间t为15s，每个试样取5个不同区域的膜层截面进行测量，并计算平均膜层硬度值进行记录。
试验过程的工艺参数：槽液温度θ为-5℃～-7℃，电流缓起时间为10min，选用直流叠加脉冲波形，脉冲幅度80%，上峰值t为0.5s，下峰值t为0.2s(下峰值电流密度为上峰值电流密度的80%)。针对硫酸质量浓度、氧化时间t、电流密度Jκ(文中的电流密度为上峰值电流密度)三项因素，选取四水平进行正交试验，表2为正交试验因素水平表。
正交试验结果表及结果分析表分别见表3及表4。由表3正交试验结果表及表4结果分析表，可以看出三个影响因素对2A12铝合金硬质阳极氧化膜层厚度及硬度均有一定影响，其中电流密度对2A12铝合金硬质阳极氧化膜层厚度的影响相对更多，而硫酸质量浓度对膜层硬度的影响最为突出。根据表4数据结果，针对电流密度、氧化时间以及硫酸质量浓度对2A12铝合金硬质阳极氧化膜层性能的影响进行进一步的分析。
2.1 电流密度对膜层性能的影响
众所周知，在铝合金硬质阳极氧化过程中，同时伴随着膜生成与溶解。当阳极氧化膜生长速率大于溶解时，阳极氧化膜增厚。反之，膜层减薄。图1为电流密度与膜层性能的关系。
由图1可知，随着电流密度的增大，膜层厚度呈不断增长的趋势。这是因为在达到膜层厚度极限值之前，氧化膜厚度满足如下公式：
δa=KIt
其中，I为电流密度，A/dm2；t为氧化时间，min；K是比例常数[14]。
由图1还可以知道，在本实验条件范围内，膜层厚度尚未到达极限值。因此膜层厚度与阳极氧化过程中通过的电量成正比，若时间相同，电流密度越大则所通过的电量就越大，因此膜层越厚。同时，随电流密度的增大，氧化膜孔隙率减小，膜层致密性提高，硬度增大[14]。但当电流密度增大到一定程度时，膜层生长速度过快，所获得的膜层不平整。此外，电流密度增大会导致膜层发热量增大，由于多孔层内部交换效率低，致使多孔层的小孔内快速升温，加速孔壁溶解减薄，最终膜硬度大幅下降。其中合金中α相(CuAl2)成为电流聚集中心，使该部位的膜层过热溶解，严重时还会导致零件烧毁。综合考虑，Ja以3.0A/dm2左右为宜。
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2.2 硬质氧化时间对膜层性能的影响
图2为硬质氧化时间与膜层性能的关系曲线。由图2可见，随着硬质氧化时间的增加，膜厚度逐渐升高，而硬度却呈先增加后减小趋势。这是因为在膜的厚度到达极限前，随着氧化
时间的延长，膜层通电量增大，因此膜厚不断增加。但随着膜层的增厚，膜电阻(R)不断增大，电流(I)通过所产生的热量(RI2)也越大，硫酸溶解能力得到提升。由于溶液温度θ较低(-5～-7℃)，在强烈搅拌下膜表面的散热较好，膜的生长速率大于溶液对膜的溶解速率，因此膜层厚度呈不断升高趋势。但硬质氧化膜层是多孔结构，随着硬质氧化膜层的增厚，孔也逐渐加深，孔内的散热能力逐渐下降并不断升温，硫酸在细孔内的溶解能力快速提升，在孔内溶液对膜层的溶解速率大于生长速率，因此膜层孔壁快速减薄，最终导致膜的硬度迅速降低。综上，氧化时间t以70min左右为宜。
2.3 硫酸质量浓度对膜层性能的影响
ic编带图3为槽液浓度与硬质氧化膜层性能的关系曲线。由图3可以看出，当硫酸质量浓度在180～200g/L的范围内，膜层厚度大幅度下降而膜层硬度却大幅升高。这可能一方面是由于随着硫酸质量浓度增加，槽液对铝合金的溶解能力增加，导致膜层厚度下降，另一方面是由于硫酸质量浓度升高，膜层的孔隙率增加[14]，提升了膜层散热性，膜层细孔内的溶解能力下降，孔壁壁厚相对低浓度有所增加，则膜层的显微硬度大幅增加。但当槽液硫酸质量浓度在200～240g/L的范围内，随着硫酸质量浓度的增加膜层硬度仅略有增加，厚度却增
母线框幅较大。这可能是由于槽液硫酸质量浓度继续增加时，溶液的导电能力也大幅提升，则2A12铝合金硬质氧化过程中各相之间的差异有所减小，α相(CuAl2)局部过热现象减轻，有利于提高膜层生长的速率，因此膜层平均厚度大幅提升。然而，随着硫酸质量浓度的进一步增加，膜层的孔隙率也会进一步增加，虽然有利于膜层散热，但细孔过多不利于膜层硬度，因此2A12铝合金硬质氧化膜层硬度增加趋于平缓，由图4可以推测若硫酸质量浓度大于240g/L，膜层硬度很可能会下降。
