阳极化溶液对铝合金阳极化膜层的影响

李德彬

摘要：选用硫酸、硫酸+草酸、硫酸+草酸+硫酸镍作为阳极氧化的电解质，对2124铝合金分别进行阳极氧化,生成阳极氧化膜。利用金相显微镜对其氧化膜组织进行观察，分析不同成分的电解质对2124铝合金阳极氧化的影响。用浓度10%的NaOH溶液进行点滴实验，检验镀层的耐蚀性，分析氧化膜层的抗腐蚀性能的影响因素。

关键词：阳极氧化；2124铝合金；耐蚀性

2124铝合金是在2024铝合金基础上降低铁、硅杂质含量，并采用特殊的生产工艺发展而来，其主要目的是减少有害杂质的数量并控制其尺寸和分布。该铝合金含铜量较高，约为3.8%～4.9%，适合于制造截面较厚的高载荷零件，但耐蚀性能较差，故2124铝合金类零件需进行电化学防腐蚀。电化学转化膜依靠其所采用的电解液不同，主要有硫酸、铬酸、草酸、磷酸之分，分为不同的阳极氧化工艺方法。阳极氧化膜能赋予铝及铝合金各种优异的性能（如防腐、装饰、绝缘、耐磨、耐热、高硬度、粘结等），或作为油漆涂层的粘结底层（如飞机外蒙皮），溶液简单、成本低廉、操作方便，在飞机、发动机、航空附件、航空仪表等各类航空产品制造业中广泛应用。为研究不同阳极氧化电解液的成膜速率及膜层抗腐蚀性能，故作此研究。

1试验过程

1.1材料

材料为3块2124铝合金板。

1.2操作步骤及现象

步骤一：将铝合金试样用1000#砂纸打磨光亮，去除在自然环境中形成的氧化膜。为减少被空气氧化，在试件打磨清洗干净后，迅速用酒精擦拭吹干。

步骤二：配置溶液：(1)浓度为15g/L的NaOH作为碱液；(2)用硝酸和水一比一配比的水溶液作为酸洗液；(3)质量分数为18%的硫酸溶液；(4)在3溶液的基础上配比5%质量分数草酸溶液；(5)在4溶液的基础上配比8g/L的硫酸镍溶液；(6)配制10%的NaOH溶液。

步骤三：取200ml、浓度为15g/L的碱液加热至70℃，将铝试件放入其中3分钟，观察到试件表面变黑。取200ml、质量分数为18%的酸洗液在常温下放入碱洗后的试件，观察到试件表面由黑变白。

步骤四：将试件进行阳极氧化。恒压电压为16V，电流为110mA，氧化时间为35分钟，阴极为铅块。其中1组试件采用3号硫酸溶液进行氧化，2组试件采用4号硫酸+草酸溶液进行氧化，3组试件采用5号硫酸+草酸+硫酸镍溶液进行氧化。4组将3组的氧化膜去处后采用电压为18V，电流为150mA,放入硫酸+草酸+硫酸镍溶液氧化35分钟。我们可以观察到阴极铅块附近有大量气体析出。

步骤五：将4组件用金相显微镜进行观察。

步骤六：用10%NaOH溶液分别对4组试件进行点滴实验，观察试件表面氧化膜耐腐蚀情况.从点滴开始计时到出现黑点时结束，此时氧化膜已失去保护作用，并记录各组耐腐蚀时间。

2、结果与讨论

2.1 实验数据

采用秒表记录耐腐蚀时间，用涡轮测厚仪测量阳极氧化膜层的厚度，得出 第1组试样耐腐蚀时间15s、膜厚5.3um；第2组试样耐腐蚀时间20s、膜厚6.8um；第3组试样耐腐蚀时间36s、膜厚8.4um；第4组试样耐腐蚀时间60s、膜厚8.6um，并发现第4组试样阳极氧化时阴极气泡冒出更加剧烈。

2.2 试验分析

通过显微镜观察零件表面覆盖有致密均匀的氧化膜，阳极氧化处理能够对试件起到一定的防护作用，但是四组试样是经不同的阳极氧化工艺处理的，所以耐腐蚀性不同。2.1中的第1组、第2组、第3组试样数据进行对比，我们可以发现第1组试样硫酸氧化液所得的氧化膜相对于第2、第3组试样更稀薄，而添加了草酸和硫酸镍后氧化膜更厚更致密。认为溶液里的氢离子更多更活跃，所以阳极的金属离子的还原程度就大，所以生成的氧化膜更密更厚，抗氧化性能更好，抗NaOH腐蚀的时间更长（见2.1）。接下来对比第3组、第4组试样试验数据，它们是在相同溶液、不同氧化电流、电压下得到，可以看出两组试样所得的氧化膜厚度、致密度相当，但明显好于第1组、第2组试样，且第4组试样的氧化膜的致密度厚度要大于第3组试样。见2.1也不难发现在电流增大的时候，阴极的现象（气泡冒出的速度）变剧烈，明显加大电流后的试样抗腐蚀的性能更好（见2.1）所以也证明镀层的厚度、致密度和电流有一定的关系。所以试件氧化膜的厚度、致密度、抗氧化性能与电解质溶液和电流的大小有关^[2]。氧化膜的成长过程取决于膜的溶解速度和生长速度之比率。硫酸电解质溶液中加入草酸电解质所生成的阳极氧化膜比相同条件下不加草酸电解质的溶液所得到的阳极氧化膜要厚些。在一定的范围内，提高阳极氧化的电流密度，可加快阳极氧化膜的成长速度，其硬度、耐磨性也有所增加。但是阳极氧化电流密度过高会使零件表面过热、并导致局部溶液温度升高，加快阳极氧化膜的溶解，容易击伤零件。随着阳极氧化时间的变化，氧化开始阶段，膜的成长速度几乎呈直线上升，但是随着时间的延长，成长速度逐渐减小，膜的厚度不再明显增加，外层氧化膜的溶解作用不断增强，膜层会变得疏松，故阳极化时间必须得到有效控制。

3、实验结论

根据各组试件耐腐蚀时间的长短和对其氧化膜组织的分析，我们可以得出如下结论：

(1)镀液中的离子越容易电解，生成的镀层越致密。

(2)2124合金阳极氧化膜的表面光滑、平整, 孔隙分布均匀，相比较硫酸、硫酸+草酸、硫酸+草酸+硫酸镍3种电解液所生成的阳极氧化膜层，其中硫酸+草酸+硫酸镍电解液所生成氧化膜厚实、致密，耐腐蚀性最好；硫酸+草酸电解液所生成氧化膜其次。

（3）在一定的范围内，提高阳极氧化的电流密度，可提高阳极氧化膜层的抗腐蚀能力。

参考文献

[1] 《中国航空材料手册》编辑委员会.第3卷 铝合金 镁合金[M].第2版：北京：中国标准出版社，2001.

[2] 林肇琦等. 有色金属材料学[M]，沈阳：东北工学院出版社，1986:7～8

作者简介；李德彬（1972-）男，汉族，河南郸城，高级工程师，学士，研究方向：金属材料热表处理。

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