铝合金铬酸阳极氧化工艺研究
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赵青花 李宏伟
【摘 要】铬酸阳极氧化工艺得到的氧化膜较薄， 一般只有1-5 μ m厚，膜层质软，弹性高。具有不透明的灰白色至深灰色外观。由于铝在铬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， 鉻酸阳极氧化溶液适用于容差小、表面粗糙度低的零件以及铸件、点焊件等。影响膜层性能的主要参数有：电流密度、温度、氧化时间等。通过实验，确定了适用于我单位产品的工艺配方和操作参数，所得膜层外观质量、耐蚀性较好。
【关键词】铝合金；阳极氧化；铬酸
铬酸阳极氧化是铝及铝合金表面处理方法之一，我单位的某产品 壳体中有几种零部件要求表面铬酸阳极氧化。所得到的膜层外观质量、防腐性能达到船舶相关行业标准。针对我厂产品所用的铝镁合金、铝硅合金材料，研究制定相应的工艺方法。
一、采用的技术原理和关键技术
所用技术原理：
铝及其合金在铬酐电解液中，在特定的工艺条件下，由于外加电流的作用， 作为阳极在基材表面同时发生电化学反应和化学反应而生成一层无色氧化膜，，阳极反应：
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观结构而具有耐磨耐腐蚀绝缘性好吸附能力强等特性。
二、主要研究内容有
（一）选定所用工艺方法：溶液主盐：铬酐35～45g/L，作为电溶液主要成份，主要起增加溶液导电性的作用。电解液为酸性（pH=0.65～0.8）。在氧化过程中，铝合金作为阳极，阴极用铅板（只起导电作用），在整流电源的作用下，铝合金阳极表面生成了结实的氧化铝膜，同时在阳极上有氧气析出，阴极上有氢气析出， 同时在氧化膜/溶液界面上还发生氧化膜的溶解反应。二者同时进行，当膜的生成速度大于溶解速度时，膜的厚度才会不断增长，氧化过程溶液温度不断上升。
铬酐含量增加会提高氧化膜的溶解速度使膜层的生长速度减缓， 孔隙率加大；含量降低则生成的氧化膜致密性好，但膜层太薄。通过实验，生产过程中控制在35～45g/L范围内，所得膜层孔隙率低、厚度在2-5μm范围内，符合产品使用要求。
（2）氧化操作参数的选取：电流密度： 0.2～0.6A/dm2，溫度： 36-40℃，氧化时间： 60min，在氧化开始15min内， 将电压升至40V，在40V下氧化45 min至终点.
（3）影响膜层性能的主要参数有：
a）电流密度.它是阳极氧化的重要参数。在铬酐含量35g/L，温度37℃，氧化时间60min条件下氧化时（试件用5A06材质），随着电流密度的提高，膜的生成速度加快，孔隙率增加：在高于0.7A/dm2时，溶液温度上升较快，膜的溶解速度加快，膜层疏松质量下降，超过l.0A/dm2时，试件的尖角部位出现烧焦现象；若电流密度太低，则膜层增长速度慢，工作效率降低；因此，电流密度应控制在0.2～0.6A/dm2＂范围内加工的零件的膜层质量较好，工作效率也最佳。
b）温度.氧化温度是影响膜层质量的另一主要参数， 在铬酐含量35g/L，电流密度0.4A/dm2，氧化时间60min条件下氧化时（试件用5A06材质），随着温度升高，膜的溶解加剧，膜层厚度降低，高于50℃时，膜层疏松出现挂灰现象，耐蚀性下降；温度低于20℃时，工作效率降低， 膜层薄脆性增大，因此，最佳氧化温度在36-40℃之间。
因此，生产线上配备了冷冻机、空气搅拌等。
c）氧化时间。在铬酐含量40g/L，温度37℃，电流密度0.4A/dm2条件下氧化时（试件用5A06材质），随着时间延长，膜厚增加，耐蚀性增加，氧化60min后膜厚不再增加。
d）材质成份。在铬酐含量40g/L，温度37℃，电流密度0.4A/dm2，氧化时间60min条件下氧化时，2A12材质所得膜层光泽度好，厚度最厚，抗腐蚀性最好，5A06材质所得膜层质量次之，ZAlSi7Mg材质所得膜层最差，光泽度暗，耐蚀性不如2A12膜层。
（二）氧化过程防止零件被击穿
由于铬酸氧化过程中电压较高，因此，氧化过程应观察电流表的变化，若电流突然上升，则说明零件局部氧化膜已被击穿，此时应立即关闭电源，将零件取出，检查表面氧化膜，若击穿位置较小，不影响后续使用，则可以将零件氧化膜褪除，重新转卡进行氧化。装卡部位保证导电良好。
为避免此类现象的发生，在生产操作中应注意以下几方面；
（1）所用工装夹具要导电性较好，褪除旧的氧化膜；
（2）工装与零件要保证装卡牢固；
（3）同一挂架上不要装卡两种材质的零件；
（4）零件之间的装卡部位不要太近；
（5）氧化过程要按照工艺要求给电，不可过快升高电压。
（三）阳极氧化零件出现过腐蚀的原因
造成这种现象的原因是溶液中铬酸含量过低，这时，氧化膜初期会出现黄色斑点，随后逐渐腐蚀成深坑状。
阳极氧化过程中铬酸的消耗一方面是带出消耗，另一方面消耗较大的是，在氧化过程中，溶解后的铝离子在溶液中与铬酸反应生成铬酸铝Al2（CrO4）3和碱式铬酸铝Al（OH）CrO4，这样溶液中的游离的铬酸会逐渐减少，继而出现上述现象。为避免发生这样的质量问题影响氧化膜质量，生产中应根据实际情况规定溶液的分析周期，分析化验是非常必要的，掌握主要成分变化状况，从而及时补充消耗掉的铬酸，确保溶液在安全可行的范围内。
（四）氧化溶液中有害杂质的去除
铬酸阳极氧化溶液中常见的杂质又一下几种：
（1）硫酸根离子。主要是铬酐中带入的，工业级的铬酐中通常含有0.4%左右的硫酸。此外，就是所用自来水中的硫酸根带入，因此，配置溶液，入氧化槽前的水洗工序尽可能用去离子水。
根据长期生产经验总结，当溶液中硫酸根浓度超过0.75g/L后，氧化膜质量下降，膜层出现粗糙，光泽度降低。
溶液中硫酸根离子可以采用碳酸钡沉淀法去除。按照1：1的比例加入计算量的碳酸钡，不断搅拌，使生成硫酸钡沉淀，过滤去除。
（2）氯离子。氯离子主要由自来水带入。它对氧化膜质量影响较大，通常在浓度超过0.2g/L时，膜层就会有腐蚀点、电压上不去、电流密度升高等现象。
采用的去除方法有：
a.通电处理。将溶液加热到70～80℃，通电处理溶液，使氯离子在阳极上氧化成氯气从而逸出。
b.价铬。三价铬含量高主要是由于氧化过程中阴极、阳极比例配置不合理。氧化过程中，若阳极面积过小，阴极反应超过阳极上的氧化过程。生产过程中三价铬含量不超过0.3g/L。含量过高时，可观察到溶液颜色变深，影响成膜速度，膜层厚度降低。
去除方法：电解处理。用铁板作为阴极，阳极面积相当于阴极面积40倍左右的条件下电解处理，三价铬氧化成六价铬。为防止三价铬在溶液中的积累，日常生产中应注意阴、阳面积的比例，以1：（3-5）为宜。
三、结论
该工艺现已投入批量生产应用，经过一段时同的生产实践，共加工零件125件（铸件22件，其余为5A06），一次交验合格率为100%。槽液稳定、易维护，所得膜层致密、连续均匀。适用于精密零件以及有气孔的铸件的防护，尤其是疲劳性能要求较高的零件.所获得的氧化膜可保持零件精度、粗糙度、抗疲劳强度，与涂层的结合力好。所以该工艺在军事装各上用的较多。美国、俄罗斯和英国的铝合金航空部件表面处理，一般都用该工艺。它除了生成铬酸氧化膜起防护作用外，还可作为对部件质量的检查手段，如部件上的针孔、裂纹等冶金缺陷。具有较好的应用前景。
【参考文献】
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