铝合金硬质阳极氧化的工艺研究

杨曼

摘 要：铝及其合金具有质轻、延展性好、可塑性强等优点，但其硬度低、耐磨性差，限制了其应用范围的拓宽。而铝合金经硬质阳极氧化处理所得到的氧化膜厚、硬度高、耐磨性好，且与基体结合牢固。因此，铝合金硬质阳极化工艺作为一种能赋予铝质零件特殊功能的有效手段，在铝合金制品的表面防护技术上得到广泛应用。铝合金硬质阳极化就是铝及其合金在电解液、特定的工艺及外加电流的作用下，在制品（阳极）上形成一层薄而致密氧化膜的过程，能够有效提高铝及铝合金的耐蚀性、耐磨性、耐候性、绝缘性及吸附性等。本文就铝合金硬质阳极氧化工艺进行简要分析。

关键词：铝合金；硬质；阳极；氧化；工艺

1硬质阳极氧化膜的形成机理

铝合金硬质阳极氧化工艺是一种通过电解过程在铝合金表面形成致密、坚硬的氧化层的技术。在阳极氧化膜的制备过程中，铝合金材料一般作为阳极，铅板作为阴极，在特定的电解液中进行氧化还原反应。通过电场的作用，电解液中的水分子发生水解反应，放电产生具有强氧化能力的。同时含氧阴离子在电场的作用下向阳极材料表面转移，阳极铝合金材料失去电子生成Al3+离子，两者结合生成致密的氧化膜，并放出大量热量。其电极反应可简单描述为：

阳极反应：H2O-2e-→[O]+2H+

2Al+3[O]→Al2O3

阴极反应：2H++2e-→H2

实际上氧化膜的生长过程受很多因素的影响，反应机理也非常复杂。各国学者专家对氧化膜的形成机理进行了大量的研究，学术界普遍分为以下几种观点。

柯马捷夫等认为，在外界电压的作用下，阳极氧化过程中阳极的金属铝非常容易丢失电子变成Al3+离子，在水解的作用下逐渐生成Al(OH)3，持续的电压使Al(OH)3在阳极聚集，短时间内便呈现过饱和态并析出Al(OH)3晶核，晶核长大，相互接触脱水后形成致密的氧化膜。黄齐松等认为氧化膜的生长可分为电化学反应和化学反应两个过程，电化学反应过程有利于铝与氧结合成Al2O3，宏观上表现为氧化膜的生长。化学反应的过程可描述为膜层的溶解，电化学反应生成的氧化膜层在电解液的作用下与H+发生化学反应，逐渐溶解形成多孔层[1]。

2 铝合金硬质阳极氧化的工艺

2.1 试验内容

2.1.1 试验材料

试验用材料为7075-T6铝合金，其尺寸为Φ100mm、厚3mm，呈圆柱状。7075铝合金材料的化学成分如表1所示。

Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti
0.4	0.5	0.12~2.0	0.3	2.1~2.9	0.18~0.28	5.1~6.1	0.2

表1  试验用7075铝合金的化学成分（质量分数/%）

2.1.2 试验设备及工艺流程

（1）设备

本次试验所使用电源为KGFC-2000A/120V-PLC型硬质阳极氧化数控电源。本次试验全部采用直流工艺，其最大电流为2000A，最大电压为120V。高、低脉冲为30~32767ms，电压高低比例0.1~1.0。

（2）工艺流程

铝合金硬质阳极氧化工艺流程如下：脱脂→水洗→碱蚀→水洗→出光→水洗→硬质阳极氧化→水洗→水洗→烘干。

铝合金硬质阳极氧化基础工艺参数为：硫酸浓度150～350g/L、电流密度1～5A/dm2、溶液温度-5~5℃、氧化时间30~90mim。以此工艺为基础，根据膜层性能，优化7075铝合金硬质氧化工艺。

2.1.3 氧化膜性能检测

（1）硬度。执行GB/T19822-2005标准，采用维式显微硬度计对7075铝合金硬质氧化膜层硬度进行测试。（2）耐磨性。执行GB/T19822-2005TABER标准，使用TaberSTD270型耐磨测试仪对7075铝合金硬质氧化膜耐磨性进行测试。（3）耐蚀性。执行GB/T10125（NSS试验）标准，要求336h中性盐雾试验后，除夹具痕1.5mm以内或角落位置外，膜层表面不出现任何腐蚀点[2]。

2.2 结果分析

2.2.1 电解液浓度

7075铝合金硬质阳极氧化电解液的主要成分为硫酸，其浓度大小对氧化膜性能起决定性作用。随着硫酸浓度的不断增加，膜层硬度呈线性上升趋势，但膜层硬度会随着硫酸浓度的持续增加而减小。其原因是，随着硫酸浓度的提高，氧化膜的溶解作用加剧，膜层孔隙率随之升高，变得松散，因此氧化膜硬度会降低。根据试验结果，硫酸浓度定为250g/L。

2.2.2 电流密度

硬质阳极氧化生产过程中，适当提高电流密度可促进膜层的“生长”速度及性能，但过度提高电流密度会造成膜层溶解，甚至产生烧蚀缺陷，或直接报废产品。因此，需合理控制电流密度。硬质氧化膜层硬度随电流密度呈先增加后降低趋势。当电流密度为2.0A/dm2时，膜层硬度可达329HV，电流密度高于2.0A/dm2时，膜层硬度开始降低[3]。这是由于较高的电流密度会释放大量的热，造成试样局部过热，使膜层局部溶解，膜层表面呈不均匀、疏松状，从而降低膜层硬度。根据试验结果，电流密度值定为1.5～2.0A/dm

2。

2.2.3 溶液温度

随着氧化温度的升高，硬质氧化膜层硬度呈下降趋势。这是由于硬质阳极氧化过程中会释放大量的热，溶液中硫酸对氧化膜的溶解作用随溶液温度的升高而逐渐加强，从而使氧化膜变得薄而疏松，导致膜层硬度降低。同时过高的温度会在试样表面引起热量集中，产生较大的阻抗，从而使电压升高，出现“烧蚀”缺陷。结合试验结果及生产成本，最佳的溶液温度为-2~2℃。

2.2.4 氧化时间

硬质氧化膜层硬度随着氧化时间的增加呈先上升后下降趋势，但下降趋势缓慢。这是由于硬质阳极氧化工艺存在极限厚度，即膜厚不是无限增长的。氧化时间过长，成膜效率下降，会在试样表面产生热量，溶解局部膜层，表面硬度随之下降。根据实验结果，7075铝合金硬质氧化工艺时间为60～65min。

2.3 结论

实验优化出的7075铝合金硬质阳极氧化最佳工艺为：硫酸浓度250g/L，电流密度1.5～2.0A/dm2，氧化温度-2~2℃，氧化时间为60～65min。

按最佳工艺制得的7075硬质氧化试样，其膜层厚度为42~51μm，膜层硬度可达400HV，Taber耐磨性≤18.8mg，336h中性盐雾试验无腐蚀现象[4]。

电流密度与氧化温度对硬质氧化膜层的耐磨性能影响较大，低温低电流密度的工艺下制备的硬质氧化膜摩擦系数普遍较小，有良好的耐磨性能。氧化时间对硬质阳极氧化膜层的耐磨性能影响较小。

结束语

总而言之，硬质阳极氧化使铝合金表面形成坚硬的氧化层，显著提高了其耐磨损性和抗腐蚀性，硬质氧化层表面多孔结构增加了与涂层材料的机械粘附力，可应用于涂装和粘接等工艺中。随着科学技术的不断发展，硬质阳极氧化技术持续革新，扩大了其应用范围，包括航空航天、汽车、建筑等领域，应用于提高产品的性能和质量。总之，铝合金硬质阳极氧化工艺在表面处理领域具有广泛的应用前景，可以提高铝合金产品的耐磨损性、抗腐蚀性和装饰效果，同时拓展了其在不同行业的应用范围。

参考文献

[1]谢晓伟.苹果酸-硫酸铝合金硬质阳极氧化工艺研究[D].西华大学，2022.

[2]武平方，刘冰，张勤等.铝合金硬质阳极氧化膜故障原因分析及对策[J].新技术新工艺，2022(02):77-80.

[3]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.

[4]安思宇，吕威，李雪松.硫酸电解液中铝合金硬质阳极氧化膜的表面形貌及性能研究[J].电镀与环保，2020，40(03):50-52.