鋁合金陽極氧化膜層耐蝕性

◎安靜

鋁合金陽極氧化膜層耐蝕性

◎安靜

本文論述了陽極氧化成膜的基本原理，對比分析了常用的三種陽極氧化工藝的優缺點，并對如何提高陽極氧化膜的耐蝕性進行了深入的分析。

鋁合金材料以比重小，機械強度較高等特性，被廣泛應用于各個領域，尤其是在航空工業中用量越來越大。但是，由于鋁的自然氧化膜較薄，一般只有0.01～0.015μm，不均勻和不連續，尚不能作為可靠的防護層，遠不能滿足工業發展的要求。因此，為了提高鋁合金的耐蝕性，就必須對鋁合金進行表面處理，常用的鋁合金表面處理有陽極化、涂漆、電鍍，目前常用的鋁合金陽極化有鉻酸陽極化、硫酸陽極化和硼酸-硫酸陽極化。

下面，我們通過論述陽極氧化膜的形成機理，來分析影響陽極氧化膜耐蝕性的諸多因素。

陽極氧化膜的生成基理

陽極氧化的電極反應。如圖1所示，在電解液中，鋁制件為陽極，鉛板為陰極，通電后在鋁表面生成氧化膜（Al2O3），這個過程稱為陽極氧化。

陽極氧化膜層的生長過程。為保證陽極氧化電極反應正常進行，只有當氧化膜的生成速度大于氧化膜的溶解速度時，氧化膜才能生長、加厚，其整個陽極氧化的電壓—時間曲線大致可以分成三段（如圖2所示）。

影響陽極氧化膜質量的各種因素

陽極化時工藝參數的影響

溫度的影響。陽極化槽液溫度是決定陽極氧化膜質量的主要因素。因為溫度越高，氧化膜的化學溶解作用越強，當溫度超過一定值后，溶解作用超過氧化作用，將無法繼續氧化，極易導致過腐蝕現象使氧化膜疏松起粉。

氧化時間的影響。氧化時間與溶液溫度有很大關系，溫度低時允許氧化的時間可延長，溫度高時相應要縮短時間。在一定條件下適當的延長氧化時間，能使氧化膜充分生成，獲得一個較厚的氧化膜，膜層的抗蝕性也相應提高。但不能只用延長時間的方法來加厚膜層，因為氧化時間過長，反應生成的熱就會使電解液溫度升高，加速對膜層的溶解，膜層反而變薄，氧化膜也會疏松起粉，耐蝕性也會降低。

電壓的影響。實踐證明，陽極氧化時電流密度與氧化膜的生成關系甚大，在其它條件不變的情況下，適當的提高電壓，電流密度隨之增加，氧化膜生成加快，可獲得一個致密較厚的氧化膜，增加了膜層的耐蝕性。但是，如果電壓過高，氧化時局部溫升顯著，加速了氧化膜的溶解，成膜速度反而下降，也容易燒蝕零件，同時時間太短，電壓過高會使膜的彈性降低。如果電壓太低，電流密度隨之減小，氧化膜的生成速度太慢，生成的氧化膜太薄，顏色也不正常，抗蝕能力也會下降。

溶液中雜質的影響

陽極氧化溶液中最常見的有害雜質是Cl-、Cu2+、Al3+等。適當的Al3+對氧化膜的形成有一定的好處，但它的含量不能太高，否則電阻太大，導電能力下降，氧化膜的生成速度也隨之下降。Cu2+含量過高，主要影響氧化膜的色澤、透明度和抗蝕性。Cl-含量過高，氧化膜易產生點狀的腐蝕砂眼。

封閉槽中各種因素的影響

由于陽極化膜的多孔結構和強吸附性能，表面容易被污染。因此，經陽極化后的鋁合金一般均需進行封閉。

氧化與封閉間零件清潔度的影響。氧化膜在進行封閉處理之前，必須保證表面清潔。因為鋁合金陽極化膜層是一層多孔的膜層，其吸附能力很強，如用手摸后，會在膜層上留下手印，因此氧化后的零件不能在水中或空氣中停留時間太長，以免有灰塵及雜質附著在膜層表面影響膜層封閉質量。

封閉液溫度時間的影響。在溶液中的封閉過程是由兩部分組成。①對重鉻酸根及鉻酸根的吸附。②氧化膜的水合作用。上述兩部分反應只有在一定時間以后才能完成，封閉速度與氧化膜本身的厚度孔隙率及封閉介質有關。

封閉槽PH值和溶液雜質的影響。PH值偏高或過低都會加速封閉溶液對氧化膜的溶解，影響氧化膜的封閉，使封閉質量下降。因此，封閉溶液中的PH值必須控制在合適的范圍。

當封閉溶液中含有SiO32-時，將吸附在氧化膜上形成硅鋁酸鹽，從而阻礙Cr2O7

2-或CrO42-被氧化膜所吸附，使膜層發白，嚴重影響膜層的耐蝕性。此外，封閉溶液中Cl-過多，也將對氧化膜起腐蝕破壞作用。

影響氧化膜質量的其它因素

基體合金成份的影響。一般來說，純鋁或包鋁材料獲得的氧化膜比鋁合金上得到的氧化膜厚，氧化膜防護性能也好。當合金中存在不能生成氧化膜的雜質時，所獲得的氧化膜抗蝕性能較差。

預處理和操作方式的影響。在陽極化處理之前必須進行預處理，以清除鋁材表面上的雜質、標記和油污。否則，就會影響氧化膜的質量。預處理一般包括除油、酸洗、水洗等工序。經過上述處理之后，在陽極化之前就可獲得一個新鮮、潔凈并且水膜連續的鋁合金基體，為得到一個質量良好的氧化膜做好了表面準備。

目前使用的幾種陽極化工藝分析

硫酸陽極化。普通硫酸陽極氧化可獲得0.5～20um，吸附性較好的膜層，適用于一般防護或作為油漆涂層的粘結底層（如飛機外蒙皮等）。硫酸陽極氧化膜具有較高的耐蝕性，但對基體材料的疲勞性能影響較大，并且不適用于點焊件、鉚接組合件以及其它會滯留電解液的零件。

鉻酸陽極化。鉻酸陽極氧化膜厚度大約為2～5um。膜層致密、質軟、彈性好，適合作為油漆涂層的粘結底層。鉻酸陽極氧化對材料的疲勞強度影響較小，此外，鉻酸陽極氧化還可用于檢查材料的冶金缺陷或機加過程中的過熱等缺陷。

硼酸-硫酸陽極化。硼酸-硫酸陽極氧化膜層除了具有鉻酸陽極化膜層的優點以外，還具有良好的遮蓋能力、槽液處理方便、對環境污染小，節約能源等優點。

綜上所述，硫酸陽極化膜層具有強吸附能力、較高的硬度、良好的耐磨性和抗蝕性能，膜層無色透明，極易染色。鉻酸氧化

膜比硫酸氧化膜要薄得多，氧化膜致密，與涂層的附著性好。鉻酸陽極氧化，無論溶液成本或是電能消耗都比硫酸陽極氧化貴，并且會造成環境污染，使用上受到一定的限制。

硼酸-硫酸陽極氧化膜耐蝕性比硫酸陽極化、鉻酸陽極化好，同時對環境污染小、節約能源。對于鋁合金基材，硫酸陽極化明顯降低材料的疲勞極限，鉻酸陽極化使材料的疲勞極限下降，而硼酸-硫酸陽極化不降低材料的疲勞極限。

（作者單位：中航飛機西安飛機分公司鈑金44廠）