铝合金阳极氧化表面处理工艺研究

(江苏航运职业技术学院教务处，江苏 南通  226010)

摘  要：由于现有的铝合金阳极氧化表面处理工艺采用的是弱酸电解液，且处理后没有对铝合金采取封闭措施，导致制备的阳极氧化膜抗腐蚀性能较差，铝合金局部腐蚀深度仍旧比较大，为此提出铝合金阳极氧化表面处理工艺研究。通过对铝合金高温退火、机械抛光、清洗去油、化学抛光以及出光除灰等预处理，去除铝合金表面的油污和自然氧化膜；将铝合金放置在制备的硫酸电解液中，接通2A/dm2恒定电流，以不锈钢作为阴极，对铝合金阳极氧化膜进行制备；通过对铝合金进行热水封闭处理，对铝合金阳极氧化膜表层的微孔进行填充和封闭。经实验证明，应用设计工艺后铝合金局部腐蚀深度小于传统工艺，能够起到良好的保护作用。

关键词：铝合金；阳极氧化；表面处理；硫酸电解液

中图分类号：TG174.451  文献标识码：A

 基金项目：

南通市科技计划项目：压铸铝合金环保型阳极氧化膜封闭工艺及膜性能研究（基金编号：MSZ21011）

0 引言

目前铝合金已经逐渐代替钢金属原料，用于汽车、飞机以及轮船制造，铝合金在制造工业领域中的地位仅次于钢，位居第二。为了使铝合金能够满足金属结构件的力学性能要求，在制造过程中需要经过适当的合金化和热处理，合金化和热处理能够增加铝合金力学性能的同时会导致铝合金金属组织不均匀，导致铝合金自钝化特征明显，如果不对其采取任何措施，随着时间的增加铝合金局部会发生腐蚀，虽然腐蚀面积比较小，但是腐蚀深度比较大，由铝合金材料制作的结构件会造成脆性断裂。相关学者提出采用阳极氧化表面处理工艺提高铝合金抗腐蚀性能，通过阳极化表面处理使铝合金表面形成一层组织均匀的保护膜，但是现有的处理工艺质量控制不过关，处理后铝合金局部腐蚀深度仍然比较大，为此提出铝合金阳极氧化表面处理工艺研究。

1 铝合金阳极氧化表面处理工艺

1.1 铝合金表面预处理

铝合金制作过程中会使用一些润滑剂以及油脂等，使铝合金表面会有一层自然氧化膜和油污，自然氧化膜和油污的存在会影响到铝合金阳极氧化膜制备质量和最终的处理效果，此次采用物理与化学法相结合的方式对其表面进行处理，铝合金预处理过程为高温退火、物理抛光、油污去除、化学抛光以及出光除灰五个步骤，具体过程如下。

首先利用真空炉设备对铝合金进行高温退火处理，将待处理的铝合金放在真空炉中进行灼烧，将真空炉设备灼烧温度设定在250℃，退火时间设定为150min。经过150min灼烧后不要立即取出铝合金，将其在真空炉内保温30min，当铝合金温度逐渐退去后将其取出，铝合金高温退火的目的是弥补铝合金内应力微观缺陷。高温退火过后利用抛光机对铝合金表面进行打磨，打磨时间需要根据实际情况而定。为了使铝合金在阳极氧化溶液中与溶质发生强烈的电化学反应，以丙酮作为铝合金表面油污去除剂，使用棉布沾取丙酮试剂擦拭铝合金表面，将铝合金表面的油污去除干净，随后将铝合金放入到离子水中进行清洗，保证铝合金表面清洁。为了去除铝合金表面的自然氧化膜，此次选择碱性溶液作为取膜剂，将去油后的铝合金放入到装有碱性溶液的容器中浸泡，浸泡时间为15min，在该过程中需要碱性溶液温度始终在75℃以上，温度过低会影响到铝合金表面氧化膜与碱性溶液化学反应效果，因此需要控制溶液温度，使用碱性溶液对铝合金进行化学抛光^[3]。

1.2 阳极氧化膜制备

铝合金阳极氧化膜的制备是将预处理后的铝合金放入在装有电解液的容器中，使用酸性溶液制作电解液，以不锈钢或者钛合金等作为阴极，以铝合金作为阳极，通过搅拌使铝合金与电解液中的酸性物质发生电化学反应，使铝合金表层形成一层厚实、均匀、紧密的阳极氧化膜，将铝合金与外界隔离，以此增强铝合金的抗腐蚀性能。由于使用的酸性溶液不同，电解液可以分为硫酸电解液、草酸电解液以及络酸电解液三种，传统工艺采用的是草酸电解液，使用草酸制备的电解液属于弱酸电解液，这种电解液对铝合金阳极氧化处理后形成的氧化膜为多孔型氧化膜，多孔型氧化膜孔隙率较高，但是组织不够均匀，这也是传统工艺存在的主要问题^[4]。而使用硫酸和络酸制备的电解液属于强酸电解液，制备的氧化膜为壁垒型氧化膜，具有组织均匀和密度高等特性，符合铝合金阳极氧化表面处理需求。由于络酸会带来严重的环境污染，并且使用络酸制作电解质会增加处理成本，因此综合多方面考虑，此次采用硫酸电解液制备铝合金阳极氧化膜。将浓度为15g/L的硫酸与浓度为20g/L的铝离子放入到电解液制备容器中，对两种试剂进行搅拌，使其充分融合，硫酸与铝离子的比例为3：7。

将阳极铝合金与阴极不锈钢间距4.5cm，将其放置在制备的电解液中，在2A/dm2恒定电流密度下对铝合金进行阳极氧化处理。在氧化过程中需要控制氧化时间和氧化温度，氧化时间和氧化温度对制备的阳极氧化膜耐腐蚀性能具有较大的影响^[6]。在对铝合金阳极氧化膜制备过程中需要将氧化温度尽可能接近室内常温温度，氧化时间要控制在50-55min之间，严格控制铝合金阳极氧化时间和氧化温度，保证制备的阳极氧化膜性能^[7]。在氧化过程中要对电解液不断进行搅拌，使电解液与铝合金充分发生电化学反应。达到氧化时间后将铝合金使用去离子水清洗，并将其晾干。

1.3 铝合金阳极氧化膜封闭处理

铝合金经过2A/dm2恒定电流密度阳极氧化处理后，生成的氧化膜表面孔隙率比较高，导致氧化膜的吸附性比较强，非常容易吸收空气中的灰尘，因此在制备阳极氧化膜后需要对其进行封闭处理，使其起到良好的保护作用。此次采用热水封闭处理方式对铝合金阳极氧化膜进行封闭处理，将铝合金放置在蒸馏水中，蒸馏水的温度要在90-100℃范围内，温度过高和温度过低都会影响到铝合金阳极氧化膜封闭效果，因此需要严格控制蒸馏水温度。铝合金阳极氧化膜水化作用的过程比较缓慢，要想达到良好的闭孔效果，铝合金阳极氧化膜封闭处理时间不能少于50min，在封闭处理过程中要使用搅拌机对蒸馏水进行不断搅拌，使铝合金阳极氧化膜充分水化，氧化膜表面的微孔被完全填充和封闭。待达到封闭时间后将铝合金取出，使用烘干机将铝合金表面的水分烘干，以此完成铝合金阳极氧化表面处理。

2 实验论证分析

实验选取3642铝合金作为实验对象，该铝合金规格为30mm×50mm×70mm，主要成分为0.15%铜、0.35%镁、0.65%锌、0.25%铁、0.15%硅，剩余为铝，准备8个铝合金作为试件，实验利用此次设计工艺与传统工艺对该铝合金进行阳极氧化表面处理。实验中所用到的硫酸、蒸馏水等试剂如下表所示。

表1实验试剂表

将8个3642铝合金试件进行预处理、阳极氧化膜制备、封闭处理，对处理后的铝合金试件进行腐蚀测试。将铝合金试件竖放在装有硫酸溶液的容量瓶中，使铝合金试件完全浸泡在硫酸溶液中，硫酸溶液的浓度为20g/L，每次腐蚀时间为10min，每个铝合金试件腐蚀10次。腐蚀后将铝合金试件进行清洗，并烘干，计算铝合金试件腐蚀情况，对每个铝合金试件的腐蚀情况进行记录。实验以铝合金腐蚀深度作为检验两种工艺的处理效果，腐蚀深度越大，表示铝合金阳极氧化表面处理效果越差，相关规范要求铝合金局部腐蚀深度不得超过试件厚度的0.05%，具体腐蚀情况如下表所示。

表2两种工艺应用后铝合金腐蚀深度对比（mm）

从上表中可以看出，采用此次设计工艺铝合金局部腐蚀深度最大仅为0.0021mm，符合铝合金阳极氧化表面处理工艺规范要求，最小腐蚀深度为0.0009mm，腐蚀深度比较小；而采用传统工艺铝合金局部腐蚀深度最大值为1.6485mm，已经超过铝合金试件厚度的0.05%，而且大于最大深度限值和设计工艺，因此实验结果证明了此次设计工艺可以使铝合金表面形成一层紧密的、均匀的、连续的阳极氧化膜，与传统工艺相比此次设计工艺可以使铝合金的抗腐蚀性能更强，更适用于铝合金阳极氧化表面处理。

3  结束语

此次在传统工艺理论基础上，通过对其工艺参数和具体细节调整和优化，提出一种新的铝合金阳极氧化表面处理工艺，实现了对传统工艺的创新，并且利用实验验证了该工艺的可行性和可靠性，对提高铝合金抗腐蚀性能，提高铝合金阳极氧化膜制备质量，以及增强铝合金阳极氧化表面处理效果等具有重要的现实意义。由于个人能力有限，此次提出的工艺尚未经过大量实际应用，在某些方面可能存在一些不足之处，今后仍会在该方面进行进一步探究，不断完善和优化铝合金阳极氧化表面处理工艺，为铝合金制作以及加工提供有力的理论支撑。

参考文献

[1] 梁钊源,麻彦龙,朱彭舟,等. 铝锂合金酒石酸-硫酸阳极氧化膜的低能耗封闭处理研究[J]. 重庆理工大学学报(自然科学),2020,34(02):100-106.

[2] 潘峤,骆晨,汤智慧,等. 2A97铝合金硫酸阳极氧化搅拌摩擦焊对接结构件在热带岛礁海洋大气环境暴露初期的失效行为[J]. 环境技术,2020,38(02):25-29+45.

[3] 刘湘伟,李劲风,张瑞丰,等. 工艺参数对2195铝锂合金阳极氧化膜层腐蚀行为的影响[J]. 材料保护,2020,53(03):107-111+116.

[4] 穆耀钊,叶芳霞,戴君,等. 微弧氧化及硬质阳极氧化对7050铝合金表面氧化膜层的影响[J]. 材料保护,2020,53(06):83-87+109.

[5] 程文礼,杨慧,任德杰,等. 表面处理对铝合金盐雾环境下的腐蚀特性试验研究[J]. 航空制造技术,2020,63(12):92-96.

[6] 王玲玲,张元华,赵江招,等. 复合封孔处理对汽车用5052铝合金草酸氧化膜性能的影响[J]. 电镀与精饰,2020,42(06):8-12.

[7] 陈明,刘安心. 磷化、铬化处理对6061铝合金阴极电泳涂层耐腐蚀性能的影响对比[J]. 材料保护,2020,53(08):105-108.

来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第10期  在线投稿  >>