6061鋁合金常溫脈沖硬質陽極氧化工藝研究

王 順, 趙占西, 尹小三

（河海大學機電工程學院,江蘇常州 213022）

6061鋁合金常溫脈沖硬質陽極氧化工藝研究

王 順, 趙占西, 尹小三

（河海大學機電工程學院,江蘇常州 213022）

采用直流疊加脈沖電源,通過正交實驗研究了占空比、電流密度和氧化時間對氧化膜厚度、顯微硬度和耐磨性的影響。結果表明:在常溫下,當占空比為50%,電流密度為5 A/dm2,氧化時間為30 min時,所得的氧化膜綜合性能最好。

常溫;脈沖;硬質陽極氧化

0 前言

常規工藝在硬質陽極氧化時為了獲得硬度高、膜層厚的膜層,必須降低槽液溫度以便降低氧化膜的溶解度;而降低槽液溫度必須具備一整套的制冷系統,另外低溫法的槽電壓較高,容易燒損工件[1]。在硬質氧化處理工程中,要實現省材、省電、優質、高效,電源的選用至關重要。通過理論和實踐的比較,脈沖電源成為鋁及鋁合金硬質陽極氧化的理想電源,它能在鋁的表面生成堅硬的氧化膜,該氧化膜裂紋少,且有較好的耐蝕性和抗磨損能力[2]。

采用直流疊加脈沖法,由于有電流回復效應,減弱了氧化膜的過熱燒損和溶解傾向,使尖角處積聚的熱量被疏散,材料的溫度整體均衡,使膜層粗糙度降低,從而削弱尖角效應[3]。

1 實驗

1.1 材料與儀器

基體采用6061鋁合金,尺寸為100 mm×100 mm×2 mm;其各成分的質量分數分別為:Si 0.4%～0.8%,Fe 0.7%,Cu 0.15%～0.40%,Mn 0.15%,Mg 0.8%～1.2%,Cr 0.04%～0.35%,Zn 0.25%,Ti 0.15%,其他0.15%,Al余量。

采用的儀器有300FSV2-F型半封閉制冷壓縮機,GBA型陽極氧化直流電源,J H2C型晶體管恒電位儀脈沖電源,TT260型覆層測厚儀,MPX-2000型盤銷式磨損試驗機,JA1003型電子天平（精度為1 mg）,HXD-1000TC型顯微硬度計,XJ G-05型大型金相顯微鏡。

1.2 工藝流程

1.3 實驗電源

本實驗所用電源為直流疊加脈沖電源。脈沖電源與直流電源為兩臺獨立的電源,直流電源為普通的晶閘管整流設備;脈沖電源的占空比為0%～100%可調,頻率為1～200 Hz可調,輸出電流可滿足實驗需要。電源要求輸出方波脈沖,其電壓波形,如圖1所示。

圖1 直流疊加脈沖電源輸出電壓波形

1.4 正交實驗設計

本實驗的工藝組成為:H2SO4200 g/L,草酸10 g/L,丙三醇5 mL/L,NiSO410 g/L,20 ℃。采用正交實驗研究了占空比、電流密度及氧化時間對氧化膜性能的影響。

2 結果與討論

2.1 正交實驗

由正交實驗結果可知:電流密度對氧化膜膜厚的影響最大,其次是氧化時間,最后是占空比;占空比對氧化膜顯微硬度的影響最大,其次是氧化時間,電流密度對其影響最小;電流密度對耐磨性的影響最大,氧化時間對其有一定的影響,占空比對其基本沒影響。

2.2 占空比對氧化膜性能的影響

圖2為占空比對膜厚的影響。由圖2可知:隨著占空比的提高,氧化膜的膜厚有下降趨勢。這是因為隨著占空比的提高,成膜過程中聚集的焦耳熱散失效率有所降低,從而導致成膜速率減小,生成的膜厚也就減小了;而當占空比大于70%的時候,成膜過程中聚集的焦耳熱無法及時散失,從而導致氧化膜疏松,膜最外層的疏松層不能及時溶解就開始生成新的膜層,從而導致膜厚增加。

圖2 占空比對膜厚的影響

圖3為占空比對顯微硬度的影響。由圖3可知:隨著占空比的提高,氧化膜的顯微硬度也不斷增加,當占空比大于70%后,顯微硬度就急劇下降。這是因為在一定的占空比的范圍內,成膜過程中的焦耳熱可以及時散失,氧化膜外層的疏松層得以有效溶解,氧化膜的成膜致密性提高,因而硬度也隨之提高;而當占空比過高時,成膜過程中的熱量就無法及時散失,從而導致氧化膜疏松,所以顯微硬度降低。

圖3 占空比對顯微硬度的影響

圖4為占空比對磨損量的影響。由圖4可知:隨著占空比的提高,磨損量有減小趨勢,即:耐磨性有所提高,這是因為成膜過程中的焦耳熱散失較及時,生成的氧化膜致密;當占空比超過70%后,氧化膜的磨損量變化不是很大,這是因為此時的焦耳熱散失效果較差,但是由于氧化膜膜厚有了大幅度的增加,導致最后表現為對磨損量的影響不大。

圖4 占空比對磨損量的影響

2.3 電流密度對氧化膜性能的影響

電流密度對氧化膜性能的影響,如圖5,6,7所示。

圖5 電流密度對膜厚的影響

圖6 電流密度對顯微硬度的影響

圖7 電流密度對磨損量的影響

隨著電流密度的提高,氧化膜的顯微硬度逐漸降低。這是由于在電解液導電性能較好的情況下,選擇較大的電流密度有利于膜的生成,但是過大的電流密度會增加電場的助溶作用,促進膜層的化學溶解,因而生成的氧化膜的致密性也就隨之降低,最終導致氧化膜的硬度降低。氧化膜的耐磨性和膜厚、硬度都有直接關系,膜層越厚,氧化膜的耐磨性越好,即:磨損量減小;且在一定范圍內氧化膜的耐磨性是隨著硬度的提高而提高的。在本實驗中膜厚的影響作用較硬度的影響作用大,所以膜厚對氧化膜耐磨性的影響占主導作用,即:隨著電流密度的提高,膜厚大幅度增加,磨損量逐漸減小,耐磨性提高。

從上述分析也可以看出:在電流密度低時,脈沖電源沒有顯示出優越性,而在電流密度較高時,脈沖電源顯示出非常明顯的優勢。

2.4 氧化時間對氧化膜性能的影響

氧化時間是陽極氧化一個至關重要的因素。氧化時間對氧化膜性能的影響,如圖8,9,10所示 。由圖8可知:隨著氧化時間的延長,膜厚幾乎是成正比例增加。

圖8 氧化時間對膜厚的影響

圖9 氧化時間對顯微硬度的影響

由圖9可知:在初始階段,顯微硬度幾乎不變,而隨著氧化時間的不斷延長,氧化膜的溶解作用不斷加強,因而影響到氧化膜的致密性,導致氧化膜的硬度有所降低。

圖10 氧化時間對磨損量的影響

由圖10可知:隨著氧化時間的延長,磨損量逐漸減小。這是因為氧化膜的耐磨性受膜厚的影響較大,膜厚則耐磨性好。

2.5 氧化膜的表面形貌

常溫直流疊加脈沖硬質陽極氧化膜的表面形貌,如圖11所示。由圖11可知:氧化膜表面微粒較小且分布均勻。這是因為采用直流疊加脈沖電源的間斷電流,在脈沖電流發生時,氧化膜的成膜速率遠大于溶解速率,因而短時間內氧化膜迅速生成,導致生成的氧化膜表面粗糙;而在脈沖電流間斷時,氧化膜的成膜速率小于溶解速率,使得表層的粗糙氧化膜得以溶解,而生成致密氧化膜,且生成氧化膜釋放的焦耳熱得到及時散失,使得電解液整體溫差較小,生成的氧化膜質量較好。從圖中還可以清楚地看到材料的擠壓痕跡（所用原材料為擠壓型板材）,即:陽極氧化在改善原材料的使用性能的同時還保留了原材料的宏觀形貌。

圖11 氧化膜的表面形貌（5 000×）

3 結論

通過實驗分析可知:電流密度是脈沖陽極氧化極其重要的影響因素。在電流密度低時,成膜速率較低;而在電流密度高時,成膜速率有了大幅度的提高。分析了各個影響因素對氧化膜性能的影響作用,發現在常溫下,在占空比為50%,電流密度為5 A/dm2,氧化時間為30 min時,所獲得的氧化膜綜合性能較好,膜厚大于30μm,顯微硬度高于3 500 MPa,且耐磨性能較好。

[1] 朱祖芳.鋁合金陽極氧化與表面處理技術[M].北京:化學工業出版社,2004.

[2] 涂益川,廖學軍,黃明祥.恒定電流密度下鋁合金的硬質陽極氧化[J].電鍍與涂飾,2000,19（2）:13-15.

[3] 王站,潘江民,韓剛峰.鋁及鋁合金氧化用大功率脈沖疊加電源的研究[J].鋁加工,2002,25（4）:45-47.

A Study of Pulsed H ard Anodizing of 6061 Aluminum Alloy at Room Temperature

WANGShun, ZHAO Zhan-xi, YIN Xiao-san

（College of Mechanical and Electrical Engineering,Hohai University,Changzhou 213022,China）

The effects of duty ratio,current density and oxidation time on thickness,micro-hardness and corrosion resistance of the oxide films on aluminum alloys were studied by DC overlapped pulse power and orthogonal experiments.The results show that of the oxide films obtained when duty ratio is 50%,current density 5 A/dm2and oxidation time 30 min have the best comprehensive performance at room temperature.

room temperature;pulse current;hard anodic oxidation

TG 174

A

1000-4742（2011）03-0033-04

2010-09-09