陽極氧化技術在汽車鋁合金車身開發中的應用

王清仙，呂玲芳，陳　君

(浙江吉利控股集團有限公司，浙江 杭州 311228)

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陽極氧化技術在汽車鋁合金車身開發中的應用

王清仙，呂玲芳，陳君

(浙江吉利控股集團有限公司，浙江 杭州 311228)

隨著汽車輕量化要求的不斷提升，汽車車身上采用鋁合金材料的比例逐年提高，鋁合金材料的表面處理技術也迅速發展起來。陽極氧化是一種用于鋁合金材料表面處理的技術，采用該技術可以提高鋁合金零件的膠接連接性和耐腐蝕性。系統研究了對陽極氧化工藝在汽車鋁合金車身開發中的應用，陽極氧化的技術原理和工藝流程，該工藝在汽車車身領域的應用將越來越廣泛。

汽車車身；鋁合金；陽極氧化

汽車輕量化在節能減排中占有重要的地位。試驗表明，在其他條件相同的情況下，汽車每減輕100kg，每百公里燃油消耗將減少0．4～1L，汽車質量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，汽車燃油量的下降，可使汽車的廢氣排放得到明顯改善；因此，無論從汽車的經濟性角度考慮還是從能源環保角度來說，汽車輕量化對每個汽車廠都是重要的目標之一。

從材料的特性、成本以及可回收性上考慮，鋁合金是適用于汽車車身理想的輕量化材料之一。如奧迪公司生產的全鋁A8高級轎車，車身全部采用鋁合金材料，使得車身質量降低了40%，取得了較好的輕量化效果。

隨著鋁合金材料應用的發展，其表面處理技術也迅速發展起來。采用表面處理技術可以改善鋁及鋁合金的特性。主要表面處理技術有陽極氧化、化學氧化、涂層和電鍍等，其中采用陽極氧化技術可以提高鋁合金零件的耐腐蝕性，增強鋁合金零件的粘接性，有利于鋁合金材料在汽車車身中更廣泛的應用。本文將對陽極氧化工藝在汽車鋁合金材料應用上的作用與工藝流程、注意事項等進行系統的論述。

1　陽極氧化技術原理與作用

1.1技術原理

鋁和鋁合金的表面在空氣中會自動生成一層氧化鋁膜，其具有耐磨、耐蝕的作用。氧化鋁膜非常薄，一般不超過幾個納米。通過進行陽極氧化處理，可以增加氧化膜的厚度，提高鋁合金零件的耐磨損、耐腐蝕和耐氣候性能。鋁合金的陽極氧化技術原理是將鋁或鋁合金置于相應的電解液和特定的工藝條件中，施加陽極電壓，使其發生電解，從而在其表面上形成一層厚度成幾何數量級增加的致密的氧化膜。

根據膜層的厚度和需要實現的功能的不同，陽極氧化的電解液成分一般以硫酸、草酸、鉻酸、混合酸和以磺基有機酸等為主溶液，電流形式有直流電、交流電以及可實現特殊功能的脈沖電流。汽車車身鋁合金零部件通常都采用直流電進行陽極氧化，工件接正極，另一電極(可以是鉛板等不易與酸起反應的金屬)接負極。電解槽中的電解液通常以硫酸為主。電解液通電后在電流的作用下發生水解[1]，在陰極上放出氫氣，即：

2H++2e→H2↑

帶負電的陰離子向陽極移動，在陽極釋放電子，即：

4OH-→2H2O+2O2-

一部分新生(原子)氧與陽極鋁反應，生成無水氧化鋁膜，即：

2Al3++3O2-→Al2O3+熱量

當氧化膜的生成速度大于溶解速度時，氧化膜便生成，并保持一定厚度。在剛開始氧化時，所形成的膜較薄，但極致密，稱為阻擋層[2]；隨著化學溶解的開始，在膜上形成無數微孔。陽極氧化膜層截面如圖1所示。

圖1　陽極氧化膜層截面圖

氧化膜的特性如下：1)具有一定的硬度和厚度，提高鋁基體的耐磨性；2)氧化膜作為腐蝕性介質的阻擋層，可保護鋁基體，提高其抗腐蝕能力；3)以氧化鋁成分為主的氧化膜，因氧化鋁是熱的不良導體，使得鋁基體表面能夠承受較高的溫度而不氧化或融化，起到了隔熱層的作用；4)氧化膜的表層一般為多孔層，對于涂層具有較高的結合力；5)氧化膜作為電的不良導體，具有電絕緣層作用；6)對于鋁型材來說，氧化膜可著色，具有裝飾效果。

1.2應用

在鋁合金零件經過陽極氧化處理后，表面上氧化膜的厚度比在空氣中自發形成氧化膜的厚度增加了幾何數量級，其硬度高，耐腐蝕能力大大增加，而且也使鋁的表面不易受到破壞。

陽極氧化工藝應用于汽車車身零部件上時，另一個作用是可以為膠黏劑提供良好的粘接面。由于鋼鋁的力學性能和熱力學性能差異很大，鋁合金車身并不能像傳統鋼板車身一樣應用焊接連接方式，又因為鋼鋁電勢不同，當機械連接時，鋁作為鋼的陽極會很快被腐蝕；因此，應采用車身膠接結構來連接性能差異較大的材料。

陽極氧化工藝作為鋁合金結構膠接的前處理工序，為膠接工序提供了一個持久、穩固的表面。由于氧化膜呈現多孔結構，且微孔的活性較高，所以膜層具有很好的吸附性。陽極氧化膜與基體金屬的結合力很強，即使膜層隨基體彎曲到破裂的程度，但仍然與基體金屬保持著良好的結合。相比而言，未經陽極氧化的試樣如果暴露在潮濕、腐蝕性的環境中，會很容易發生水化作用，并在表面生成自然氧化膜，這會使膠接處過早的失效。陽極氧化工藝后的鋁合金零件增強了在膠接工序時的粘接力。

由于陽極氧化工藝可以代替常規的電泳涂層提升鋁合金的防腐性能，相比針對整個白車身的專業電泳車間的高投入，針對零部件的陽極氧化車間的投入成本要低的多。

2　汽車車身零件陽極氧化工藝流程

汽車車身鋁合金零件的陽極氧化生產線主要組成包括上下料架、各工藝槽及槽面設施、龍門行車、軌道、立柱、給排水系統、氣管路系統、行車控制系統、槽溫控制系統和通風設施等(見圖2)。陽極氧化生產線的質量和自動化與檢測水平決定了鋁合金陽極氧化的產品質量和生產效率。

圖2　陽極氧化生產線

汽車車身鋁合金零件的陽極氧化工藝流程如圖3所示。

圖3　陽極氧化工藝流程

機械拋光預處理是為了獲得平整、光滑的表面。如果鋁合金零件表面不平整或存在各種磨痕、凹坑、飛邊和劃傷等缺陷，而在氧化前不清理掉，就會影響氧化膜的性能。

在陽極氧化之前進行清洗工序是為了除去鋁板或鋁錠原材料加工過程中附著在樣件表面的潤滑劑、油脂和碎屑等雜質。附著的潤滑劑可以用溶劑如異丙醇(IPA)、丙酮或者變性酒精予以去除。水洗后，用5%的NaOH溶液堿蝕以化學反應除掉油脂，用密度為100～500g/L的硝酸溶液酸洗中和堿液及除去蝕洗后留在表面上的掛灰。每道工序后都要進行水洗，以清洗零件表面殘留的液體成分，保證零件表面清潔。

陽極氧化槽液為硫酸溶液，外接0～25V的直流電源(電壓可調)進行恒電流模式下的陽極氧化。硫酸溶液應為低鐵型，其鐵離子濃度為50%體積含量的溶液中<75mg/L。整個陽極氧化處理過程中應保證液面能夠完全覆蓋工件。陽極氧化結束后，工件移出前在電解液中的存放時間應 ≤15s。鋁合金陽極氧化膜厚度約為5～10μm，通過控制陽極氧化的時間可獲得指定厚度的氧化膜。

為了提高陽極氧化膜的耐蝕、電絕緣和耐磨等性能，鋁合金在陽極氧化后要進行封閉處理。經過封閉處理后表面變得均勻無孔，形成致密的氧化膜。經封閉后的氧化膜不再具有吸附性，可避免吸附有害物質而被污染或早期腐蝕，從而提高了陽極氧化膜的防污染、抗蝕等性能。

熱水封閉的原理是利用無定形氧化鋁的水化作用[3]:Al2O3+H2O=Al2O3·H2O。由于生成的水鋁石(Al2O3·H2O)含有結晶水，體積膨脹而封住微細孔。封孔溫度為 90～100 ℃，pH值為6～7.5，時間為15～30min。封閉用水必須是蒸餾水或去離子水，而不能用自來水，否則會降低氧化膜的透明度和色澤。

所有鋁合金零件陽極氧化處理完后烘烤晾干并單獨包裝，零件在包裝前必須完全干燥，并且要求單獨包裝或使用HDPE膜隔開放置于干凈密閉的集裝箱里，在運輸和裝配前防止被污染。陽極氧化成品零件如圖4所示。

圖4　陽極氧化成品零件

3　陽極氧化工藝的注意事項

采用陽極氧化工藝的注意事項如下。

1)在進行陽極氧化處理之前，不要用馬克筆在樣件表面進行標記，因為陽極氧化過程中的脫脂和腐蝕工序不能將這種油墨完全去除。

2)每一個螺紋盲孔都要在開口端進行封堵，以避免其受到堿蝕等過程的影響，或者造成腐蝕液體的殘留。

3)有機硅對膠接非常不利，在零件生產過程中應該避免接觸有機硅，在生產或者存放陽極氧化零件的區域不允許存放有機硅和有機硅制品。由于氣泡膜的制造過程中使用了硅油，因此，此材料不適宜用來包裝陽極氧化零件。

4)焊接造成的煙氣沉積會影響陽極氧化表面的膠接，因此在生產或者存放陽極氧化樣件的區域不允許進行焊接處理。

5)在進行陽極氧化處理后，樣件的表面應被妥善保護以防止任何形式的機械損傷或者污染。經陽極氧化處理后不允許任何機械形式(如銼、切和擴孔等)對樣件的加工。

6)陽極氧化膠接面應避免與松散的粉塵(如滑石粉)、潤滑脂、蠟和其他高黏度的阻隔劑(如肥皂、洗手液等)接觸，因為這些物質會阻止膠黏劑的滲透。

4　結語

由于鋁合金材料的應用在沖壓延展性、連接性和耐腐蝕性等方面存在技術難點，材料成本也較高，目前大多應用在高級轎車上，國內主流汽車車身基本上采用冷軋鋼板和鍍鋅鋼板。隨著車身輕量化要求的不斷提升，汽車車身上采用鋁合金的比率將逐年提高，鋁合金材料應用的技術難點也在不斷研究解決中。采用陽極氧化工藝提高了鋁合金零件的膠接連接性、耐腐蝕性，隨著汽車輕量化材料鋁合金應用的發展，該工藝在汽車車身領域的應用將越來越廣泛。

[1] 王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊[M].長沙:中南大學出版社，2000.

[2] 劉靜安，謝水生.鋁合金材料的應用與技術開發[M].北京:冶金工業出版社，2004.

[3] 朱祖芳.鋁陽極氧化膜封孔技術之進展[J].電鍍與涂飾, 2000(19)：32-37.

責任編輯馬彤

ApplicationofAnodisingTechnologyinDevelopmentofAutomobileAluminumAlloyBody

WANGQingxian，LYULingfang,CHENJun

(ZhejiangGeelyHoldingGroupCo.,Ltd.,Hangzhou311228,China)

Withtheimprovingofthelightweightvehicle,theproportionofaluminiumalloyusedatcarbodywillincreasegradually.Thetechnicaldifficultyofaluminiumalloyisbeingresearched.Anodisingisanexcellentsurfacetreatmenttechnologyforaluminiumalloytofacilitatetheuseofstructuralbondingandprotectpartsfromcorrosion.Presenttheeffectandprocessoftheanodisingforaluminiumalloyusedattheautomobilebodystructure.

carbody，aluminiumalloy，anodising

U466B

王清仙(1984-)，女，工程師，碩士，主要從事鋁合金車身開發等方面的研究。

2016-05-18