2A12铝合金硬质阳极氧化应用研究

2A12铝合金硬质阳极氧化应用研究

王花蕾 ,吕秋生

中航西安飞机工业集团股份有限公司

摘要：通过调整铝合金硬质阳极氧化的工艺参数，研究电流密度、硬质阳极氧化时间和最低终止电压对膜层显微硬度、厚度及耐磨性的影响规律。最佳氧化工艺参数：槽液温度-6℃，电流密度2.5 A/dm2，氧化时间55min，硫酸浓度350g/L，可获得厚度52μm、硬度376 HV、质量损失23mg,均匀致密的硬质阳极氧化膜层。

关键词：2A12铝合金；硬质阳极氧化；硬度；耐磨

Study on hard anodizing process of 2A12 aluminum alloy

Wang Hualei   Lv Qiusheng

(AVIC Xi′an Aircraft industry GroupCo.,Ltd.)

Abstract:by adjusting the process the process parameters of hard anodizing of aluminum alloy, the effects of current density,hard anodizing time and minimum termination voltage on the microhardness ，thickness and wear resistance of the film were studied. The optimum oxidation process parameters: bath temperature -6℃ ,current density 2.5 A/dm2，oxidation time 55min,sulfuric acid concentration 350g/L，thickness52μm, hardness 376 HV,mass loss 23mg, Uniform and dense hard anodized film.

Key words: 2A12 aluminum alloy; Hard anodizing; Hardness; Wear resistance

0  引言

铝及其合金材料由于具有高的强度/ 质量比、质轻、延展性能好、可塑性强等优点，广泛应用于军事及民用领域，如汽车、船舶、飞机及火箭的制造，成为工业中使用量仅次于钢铁的第二大类金属材料。然而，铝合金材料硬度低、耐磨性差，尤其对于活塞、阀体、汽缸、轴承、齿轮和导轨等零件，需要更高的表面硬度和耐磨性。低温硫酸法硬质阳极氧化获得的膜层硬度高，耐磨性好，耐高温，耐候性好和绝缘性高，可满足工业零件的功能性要求。2A12铝合金是航空领域大量使用的一种国产化铝合金材料，但是，由于2A12铝合金含铜量较高，铜的质量分数为3.8%～4.9%，具有较多的CuAl2相，在硬质氧化过程中，该相容易聚集电流，导致局部过热，溶解速度过快，甚至烧蚀零件［1］［2］。

本文主要研究在低温（-2℃～-8℃），电流密度为2 A/dm2～3 A/dm2，最低终止电压29V条件下，氧化时间对2A12铝合金材料硬质阳极氧化膜层厚度、硬度和耐磨等性能的影响。

1试验

1.1  试验材料及设备

材料为2A12铝合金，成分见表1.试样尺寸：100mm×100mm，，中心孔6.3mm。KYD-1 硬质阳极氧化直流电源（自制）、Mini Test2500无损涡流测厚仪、MH-60 硬度计和Taber5155 磨损机等设备。

表1  2A12铝合金成分

1.2工艺流程及工艺参数

1.2.1  硬质阳极氧化的工艺流程：有机溶剂除油→碱除油→温水洗→冷水洗→脱氧→冷水洗→硬质阳极氧化→冷水洗→压缩空气吹干。

1.2.2  硬质阳极氧化的工艺参数：330 g /L～ 350 g /L，温度：-6℃，阴极面积至少为阳极面积的1/2，开启正反电流，起始电流密度为0.5 A/dm2，15min内将电流密度逐渐增加至2.5 A/dm2，15min后按正向电流：反向电流≈10：1～20：1进行不同时间(20min～70min)的硬质阳极氧化，并保持至氧化结束，最低终止电压29V。

1.3  测试方法

1.3.1  外观检查

对所有试样的外观进行目视检验，膜层外观连续、光滑、均匀，颜色呈灰色、暗灰色至黑色或黄褐色。膜层应无烧伤、起粉区、疏松膜或诸如划伤、缺口、斑点的不连续。

1.3.2  厚度测量

采用涡流测厚仪测量试样的阳极氧化膜厚度，在试样表面均匀选取10个点，取其平均值为试样的膜层厚度。

1.3.3  硬度测量

使用MH-60 硬度计按GB/T4340.1测量试样的硬度。

1.3.4  耐磨性

按ASTM D4060进行耐磨试验（质量损失）。 在TABER磨损机上使用1000g载荷，以50r/min～100r/min的转速，用Cs-17磨轮旋转10000周2A12试样磨损后的重量损失不应超过40mg。

2  结果与讨论

    试验结果见表2，可以看出在槽液成分稳定、温度不变、电流密度不变的工艺条件下，氧化时间对试样的膜层厚度、膜层硬度和耐磨性能的影响。

表2  试验结果

2.1  氧化时间与膜层厚度的关系

氧化时间与膜层厚度的关系见图1。氧化时间从20min到70min，随着氧化时间的增长，膜层厚度逐步增加；氧化至65min时，膜层厚度达到最高值58μm，氧化时间到70min时，膜层厚度略有下降。由于铝合金硬质阳极氧化过程是氧化膜的生成与溶解同步进行的过程 ，产生铝与阳极析出的氧发生氧化作用生成Al2O3 的电化学反应，同时还产生电解液对Al2O3不断地溶解的化学反应。硬质阳极氧化的初始阶段,由于氧化膜的生成速度大于溶解速度, 氧化膜层不断增厚; 当氧化过程进行到65 min 时, 氧化膜的生成速度与溶解速度相等, 膜厚达到一个相对稳定的值。氧化时间继续延长至70min，膜层的加厚和电阻的增加导致电压的增加，则膜层容易被击穿从而变得粗糙、疏松且易脱落，所以氧化时间一般控制在65min 内，此时能获得最佳的氧化膜厚度。

图1  氧化时间与氧化膜层厚度、硬度和耐磨性的关系

2.2  氧化时间和膜层硬度的关系

    氧化时间与氧化膜硬度的关系见图1。从图中可以看出，随着氧化时间的延长，氧化膜硬度逐渐增加，在氧化时间60 min时，膜层硬度达到最高值375HV；继续氧化，氧化膜硬度值开始下降，这是因为由于电解液与氧化膜作用时间过长，氧化膜的溶解量增大，孔隙率增加，膜层表面结构疏松和粗糙，造成氧化膜硬度降低。所以氧化膜硬度与氧化时间的关系是先增加后减少，无法通过延长氧化时间增加膜层的硬度。

另外，硬质阳极氧化膜层的硬度不是越硬越好, 如果和相配的组件硬度相差太大, 两者运动起来易使硬度低的组件磨损, 同时硬度大, 脆性也越大。

2.3  氧化时间和膜层耐磨性能的关系

氧化时间对氧化膜耐磨性能的关系见图1。从图中可以看出，随着氧化时间的延长，氧化膜耐磨性能会降低，所以严格控制氧化时间，可以在膜层生长的初期降低材料的溶解作用，减少膜层中孔洞的数量，从而获得相对致密的氧化膜，保证膜层的粗糙度要求，增强膜层耐磨性能，降低膜层质量损失。

3  结束语

    1）2A12铝合金在硬质阳极氧化溶液温度：-6℃，起始电流密度：0.5 A/dm2，电流密度:2.5 A/dm2，最低终止电压:29V，氧化时间:20min～70min，可以获得厚度19μm～58μm、硬度177HV～379HV、耐磨（质量损失）17 mg～40 mg的硬质阳极氧化膜层。

2）氧化时间65 min，可获得58μm的最厚氧化膜层，硬度360HV，略低于最高值，耐磨（质量损失）35 mg，低于要求的40 mg。因此，2A12铝合金硬质阳极氧化的氧化时间不应超过65 min。

参考文献

［1］张欢，氧化时间对2A12铝合金硬质阳极氧化膜性能的影响 。测试与控制，2014，22：148-150.

［2］曹歆昕，李吉丹，张晶，2A12 铝合金硬质阳极氧化工艺研究。电镀与涂饰，2017，39（9）：38-41