恒壓與恒流兩種鋁陽極氧化控制方法的比較

黃允芳，蔡錫昌，蔣利民

（1.江蘇商貿職業學院，江蘇 南通 226011；2.精細化學品集團有限公司，浙江 臺州 318020）

鋁作為用量僅次于鋼鐵的第二大金屬，在國民經濟發展中起到積極而重要的作用。鋁陽極氧化工藝是一種保護鋁表面免遭腐蝕的有效措施，特別在戶外鋁材被廣泛應用。鋁陽極氧化膜厚的控制方法可分為恒壓與恒流兩種方法。然而，對兩種控制方法的優缺點比較鮮有報道，給鋁陽極氧化生產一線工作者對控制方法選擇或更改帶來困惑。只有深入了解兩種控制方法的相同點、不同點及各自應該注意的問題，結合企業陽極氧化生產線自身的實際情況，才能對控制方法作出正確的選擇或更改。

所謂恒壓控制，就是在陽極氧化前將電源控制柜上的恒壓開關（或恒壓檔）合上、恒流開關（或恒流檔）斷開，按預先試驗與膜厚實測的結果，設定電壓（一般取12～18 V之間的某一數值）與時間，這樣在陽極氧化整個處理過程中，電源控制電壓是恒定不變的；所謂恒流控制，就是在陽極氧化前將電源控制柜上的恒流開關合上、恒壓開關斷開，按工件可陽極氧化的總表面積與選定的電流密度（一般取1.0～2.0 A·dm-2之間的某一數值［1］），計算出所要設定的總電流，按膜厚要求設定時間，這樣在陽極氧化整個過程中，電源控制總電流是恒定不變的。本文主要對恒壓與恒流兩種控制方法進行比較，并對各自可能遇到的實際問題提出一些對策措施，供從事鋁陽極氧化技術與生產的同行們參考。

1 實驗

1.1 材料和工藝條件

鋁工件試樣為6063-T5鋁合金型材，具體成分見表1所示。陽極氧化工藝條件：槽液溫度18～22℃，槽液組成為游離H2SO4155～175 g·L-1、Al3＋12～18 g·L-1。電解著色工藝條件：著色電壓為17 V，槽液溫度19～21℃，槽液組成為游離H2SO415～17 g·L-1、SnSO414～16 g·L-1、著色穩定劑20～25 g·L-1。常溫封閉工藝條件：槽液pH 6.0～6.5，槽液溫度27～29℃，封閉時間1.0～1.2 min·μm-1，槽液組成為Ni2＋1.0～1.2 g·L-1、F-0.3～0.4 g·L-1。

表1 6063-T5鋁合金型材的化學成分［2］Tab.1 Chemical composition of 6063-T5 aluminum alloy［2］

1.2 儀器和工藝流程

采用GGDF 200A/22V高頻開關電源為陽極氧化電源；采用Surfix/Pocket-Surfix?渦流測厚儀測定膜厚。按GB/T 8753.1-2017硝酸預浸的磷鉻酸失重法進行封閉質量檢驗。

工藝流程：6063鋁工件試樣→脫脂→水洗→堿洗→水洗→水洗→中和→水洗→陽極氧化→水洗→水洗→電解著色→水洗→水洗→常溫封閉→水洗→水洗→瀝干→試樣檢測

2 結果與討論

2.1 恒壓控制優缺點

陽極氧化生成的膜厚主要取決于可陽極氧化鋁工件表面通過的電量，而不是取決于電壓［3］。因此采用恒壓控制，在控制陽極氧化膜厚偏差方面，特別是對25μm以上陽極氧化厚膜控制，準確性不如恒流控制。但是，陽極氧化電壓與電流密度也存在著很大的關系，恒壓控制下的電流密度隨電壓的升高而遞增，在常規陽極氧化工藝條件下較短的時間內，幾乎呈正比例關系，因而對生產薄膜至中等厚度膜（5～12μm），采用恒壓控制同樣能較好地控制厚度偏差。

采用恒壓控制，通常設定電壓12～18 V，對拋光工件，為了減少在陽極氧化過程中失光，一般采用較高的硫酸濃度（200～250 g·L-1），因而電壓值往往設定較低；而對某些工件，特別是電解著色黑色料，為了獲得顏色均勻的真黑色，需要設定較高電壓。歸納起來，采用恒壓控制有兩個主要優點：（1）操作簡便，在穩定槽液中的硫酸和鋁離子濃度及槽液溫度的前提下，無需計算同掛所有處理工件中可陽極氧化的表面積，只需控制同掛處理工件的實際總電流不超過電源的額定電流，以防止電源超負荷運行。（2）當同一掛工件中有少數幾個工件出現導電不良時，隨陰陽極比（即浸沒在陽極氧化槽液內鋁工件所對應的陰極表面積與鋁工件表面積之比）發生變化，總電流會自然降低，使得其余工件上的電流密度基本維持不變，以致只是導電不良幾個工件出現沒膜或膜厚偏低問題，而其余同掛工件的成膜速度與膜層質量基本不受影響。

2.2 恒流控制表面積計算及優缺點

在工業化生產中，采用恒流控制，必須要計算工件表面積。一般工件陽極氧化表面積主要按兩種方法計算：（1）按工件斷面圖上所標注的尺寸計算斷面外周長（m），再乘以工件的長度（m），就得到工件的表面積；（2）直接對工件實物樣品測量斷面外周長（m），再乘以工件的長度（m），就得到工件的表面積。另外，對有型腔的工件，還要考慮端頭型腔內壁陽極氧化膜進入部分的表面積。在工件兩端都浸沒在電解液內情況下，需要計算兩端型腔內膜（在圖1中以L標出），而對大型立式陽極氧化生產線，工件上端露出槽液，則只計算下端型腔膜。受電場屏蔽影響，膜進入厚度呈急速遞減趨勢，因此不能按進入膜總表面積計算，而應該換算成相當于外表面膜厚的等效表面積。通過對多種規格鋁工件的試驗與膜厚測試，結果是：膜進入深度約為型腔短邊長度的15倍，等效表面積約為進入膜總表面積的35%。因而，膜進入等效表面積計算可簡單按下式（1）計算。

圖1 有型腔鋁工件陽極氧化膜進入內腔深度示意圖Fig.1 Schematic diagram of lumen depth of film entering for aluminum workpieces after anodizing

式中：S為膜進入等效表面積，m2；a為工件型腔長邊，mm；b為工件型腔短邊，mm；k為膜進入厚度遞減系數，取0.35。

對某些經過復雜深加工的工件（如汽車天窗導軌類），斷面形狀多變，直接對實物測量不僅繁瑣，也難計算準確，基于工件的斷面厚度基本相同，這類工件的表面積（m2）可簡單按下式（2）計算。

式中：S為工件表面積，m2；W為工件重量，kg；δ為工件厚度，mm；2.7為鋁的相對密度；2為代表工件表面兩個面；k為表面積增補系數，大于1.0。

采用恒流控制，除計算工件表面積外，還需特別注意：在開始通電升壓時，要觀察電壓表或電壓顯示器上升壓是否正常。當電壓出現異常、超出正常范圍時，說明該掛工件中有一部分工件導電不良；當不良導電工件較多，或全部不導電（這種情況往往是導電橫梁與總掛具，或導電橫梁與槽邊導電座間不導電）時，需要及時手動斷電。只有在排除不良導電故障后，才可二次通電，不然會損壞電壓表或電壓控制元件。為維持在恒流控制下總電流不變，加在其余導電良好工件上的電流密度就變大，顯示的電壓隨之也變大，當導電不良工件數占比較大，工件進入后道工序時，陽極氧化劣質膜層問題會連帶出現電解著色與封閉質量問題（見表2）。

試驗表明：恒流控制下隨不良導電工件數占比增加，其余導電良好工件的電壓與電流密度都會隨之增大，膜厚會隨之偏高。在電流密度為1.5 A·dm-2下，不良導電工件占比約5%是電解著色出現顏色質量波動的一個臨界點；不良導電工件占比約10%是出現封閉質量波動的一個臨界點。

在總電流不變情況下，電流密度與工件表面積呈反比關系，因此，表2中“其余工件電流密度”按下式（3）計算。

表2 恒流控制下部分工件導電不良對其余工件的連帶影響Tab.2 The joint influence of poor conductivity of some workpiece on others under constant current control

式中：I為其余工件電流密度，A·dm-2；I0為原選定的電流密度，1.5 A·dm-2；X為導電不良工件數占比，%。

可采取的對策措施：陽極氧化剛通電升壓時要注意觀察升壓情況，如果觀察到通電后電壓超出正常值0.5 V以上，應及時將電壓調回正常值，以使其余工件處于正常陽極氧化狀態；如果觀察到電壓超出1.0 V以上，應馬上手動斷電，及時排除不良導電故障。

采用恒流控制，一般設定電流密度值為1.0～2.0 A·dm-2，與恒壓控制同樣，對拋光工件，電流密度取下限；而對電解著色黑色料，為穩定顏色與封閉質量，電流密度取1.4～1.6 A·dm-2。采用恒流控制，主要優點是在工件全部導電良好前提下，能有效控制膜厚偏差。因為陽極氧化成膜耗電成本在生產成本中占比最大，所以控制膜厚偏差更小，等于更好地節省生產成本。另外，封閉時間通常按膜的厚度設定，電解著色速度受膜的厚度影響較大［4］，因此膜厚偏差控制較小，又意味著能使電解著色顏色與封閉質量相對穩定。

2.3 在工藝條件波動較大情況下膜厚偏差的比較

在工業化生產中，一般常規陽極氧化工藝條件波動范圍：H2SO4150～170 g·L-1、Al3＋12～18 g·L-1、溫度18～22℃。在這一工藝條件上限與下限兩種極端情況下，兩種控制獲得的膜厚偏差比較見表3。

試驗表明：在工藝條件波動較大情況下，恒壓控制的膜厚偏差相對較大的原因，是由于硫酸濃度、鋁離子濃度與槽液溫度都直接影響槽液的電阻［5］，導致總電流偏差較大，見表3所示，恒壓控制下總電流從46.3 A上升至63.5 A。為了有效縮小膜厚偏差，如果陽極氧化生產線自身設備原因不能縮小工藝條件波動，應通過現場試驗與膜厚實測，對設定電壓或時間及時作出適當調整。也就是說，恒壓控制下要觀察每掛處理工件剛開始通電時的總電流是否有異常波動，一般對表面積基本相同的工件，為了控制較小膜厚偏差，需要及時對總電流異常波動進行調整。而恒流控制下電源會自動調整電壓，見表3中恒流控制下電壓從17.0 V下降至15.4 V，因而在工藝條件波動較大情況下，恒流控制下的膜厚偏差較小。

表3 在工藝條件波動較大情況下膜厚偏差的比較Tab.3 The comparison of film thickness deviation under fluctuating process conditions

2.4 在陰陽極比波動較大情況下膜厚偏差的比較

浸沒在陽極氧化槽液內鋁工件所對應的陰極表面積與鋁工件表面積之比，即陰陽極比，一般控制要求大于1∶2［6］。當陰陽極比過小時，由于投射到鋁工件表面的電流密度不均勻，會導致生成的陽極氧化膜厚不均勻。特別是在陰極使用太久而破損情況下，還會容易引起工件導電接觸不良、封閉表面起粉等現象。

在陽極氧化工藝條件相同的情況下，隨陰陽極比波動（即被處理的鋁工件表面積波動），對恒壓與恒流兩種控制方法的膜厚偏差影響見表4。

表4 在陰陽極比波動較大情況下膜厚偏差的比較Tab.4 The comparison of film thickness deviation in the case of large fluctuation of anode/cathode ratio

由表4的試驗數據可知，無論是恒壓控制，還是恒流控制，陰陽極比較大，即工件表面積較小，則獲得的陽極氧化膜偏厚，反之膜偏薄；在陰陽極比2∶1與1∶2兩種情況下，兩種控制的膜厚偏差均達到1.25μm。為了減輕陰陽極比波動的影響，較多陽極氧化槽組的陰極的橫斷面制成波紋或鋸齒形狀，以提高陰極表面積，能比較有效地防止出現陰陽極比過小現象。

3 結論

（1）恒壓控制下總電流隨陽極氧化時間延長而緩慢下降；恒流控制下電壓隨陽極氧化時間延長而緩慢上升。

（2）恒壓控制下及時調整異常的總電流波動，可以縮小由工藝條件波動較大引起的膜厚偏差；恒流控制下及時調整異常的電壓波動，可以減輕不良導電工件對其余工件的連帶影響。

（3）為控制好膜厚波動，兩種鋁陽極氧化控制都需要穩定陰陽極比，即穩定每掛工件的表面積，且控制陰陽極比大于1∶2。

（4）采用恒流控制，對工件導電接觸要求高，需要準確計算工件表面積，最大優點是有利于降低生產成本與保證后道工序質量，應優先選用。