AC7A新型铝合金硫酸草酸阳极氧化研究_郭建章

第25卷第2期　青岛大学学报(工程技术版)　Vo l.25N o.2　2010年6月JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY(E&T)Jun.2010文章编号:1006-9798(2010)02-0084-04AC7A新型铝合金硫酸草酸阳极氧化研究郭建章,张恕爱,徐　斌,赵　程(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061)摘要:为了提高铝合金阳极氧化膜的性能,采用硫酸和草酸的混合溶液(质量浓度比10:1)对AC7A铝合金进行了阳极氧化处理,并对阳极氧化的工艺参数进行了优化。

实验结果表明:AC7A铝合金硫酸草酸阳极氧化的氧化膜为多孔蜂窝状结构,其硬度和厚度均随温度的升高而减小;在电流密度3.0A/dm2、电解液温度2℃、氧化时间1h的工艺参数下,AC7A硫酸草酸阳极氧化膜层硬度可达471H V50,厚度可达75μm。

说明采用质量浓度比10∶1的硫酸草酸混合溶液对AC7A铝合金进行阳极氧化处理,可保证氧化膜的硬度和厚度满足使用要求,提高铝合金构件的使用寿命。

关键词:AC7A铝合金;阳极氧化;氧化膜硬度;氧化膜厚度中图分类号:TG174.451文献标识码:A AC7A是一种新型的铝镁系铸造合金,具有伸长率大、切削性及耐蚀性好等特点,特别是对海水的耐蚀性很好,因而成为目前国际上轮胎行业比较推崇的模具用铝,是制造轮胎模具花纹圈比较理想的材料[1]。

对铝合金进行阳极氧化处理主要有硫酸阳极氧化方法、草酸阳极氧化方法及硫酸草酸结合的阳极氧化方法。

硫酸阳极氧化工艺,其电解液成分简单、操作方便、生产成本低,因此得到普遍的应用[2]。

但该工艺严格要求溶液的温度控制在25℃以下,否则会使氧化膜产生疏松粉化,膜层减薄变脆,从而使抗蚀性能降低。

草酸阳极氧化因草酸电解液对铝及其氧化膜的溶解度小,因此氧化膜的孔隙率比较低,膜的耐蚀性、耐磨性和电绝缘性都比硫酸氧化膜好[3,4]。

但草酸在阴极上容易被还原为羟基乙酸,在阳极上被氧化成二氧化碳,使电解液的稳定性变差;草酸氧化膜的色泽也容易随工艺条件变化而变化,使产品产生色差;草酸阳极氧化的成本比较高。

因此,草酸阳极氧化在应用方面受到一定的限制,一般只在特殊要求的情况下使用,如制作电气绝缘保护层、日用品的表面装饰等。

在硫酸阳极氧化电解液中常添加草酸,可以放宽阳极氧化的温度范围,提高氧化膜的硬度和厚度[5]。

目前,对于AC7A铝合金阳极氧化工艺的研究比较少。

针对单一硫酸、草酸阳极氧化方法存在的缺陷,为保证氧化膜硬度满足要求又节约阳极氧化成本,本文采用硫酸和草酸混合溶液对AC7A铝合金的阳极氧化工艺进行了研究,以期将该工艺应用到轮胎花纹圈的表面处理中,提高铝合金轮胎活络模的使用寿命。

1　实验部分1.1　实验材料和试剂AC7A铝合金试样,N aOH、硝酸、硫酸和草酸(以上试剂均为分析纯),去离子水。

AC7A铝合金试样尺寸为20mm×15m m×5mm,其化学成分和机械性能见表1所示。

1.2　实验设备W YK-10020直流稳压稳流电源,东方集团易事特公司;DC-1006低温恒温槽,上海衡平仪器厂; CJJ79-1电动机械搅拌器,常州国华电器有限公司;H VS-1000显微硬度计,东莞市鹏展电子仪器有限公司;XJZ-6A正置式金相显微镜,重庆光学仪器有限公司;JSM-6700冷场发射扫描电子显微镜,日本电子收稿日期:2009-12-14;修回日期:2010-04-23作者简介:郭建章(1969-),男,山东青岛人,副教授,主要从事铝合金的阳极氧化和纳米材料制备研究。

Email:guojzqd@　第2期 郭建章,等:AC7A 新型铝合金硫酸草酸阳极氧化研究表1　AC7A 铝合金的化学成分和机械性能化学成分　元素质量分数/%　元素质量分数/%机械性能项目指标　铜Cu ≤0.10　锰M n ≤0.60　抗拉强度σb /M Pa 210硅Si ≤0.20　镍Ni ≤0.05　屈服强度σs /M Pa 114镁M g 3.6～5.5　钛Ti ≤0.20　伸长率δ5/%12锌Zn ≤0.15　铝Al余量　布氏硬度H B65铁Fe≤0.25株式会社;INCA Energy -X X射线能谱仪,英国牛津仪器公司。

1.3　实验过程AC7A 铝合金阳极氧化的工艺流程为:试样粗磨※细磨※蒸馏水洗※碱浸蚀※蒸馏水洗※酸洗出光※蒸馏水洗※阳极氧化※蒸馏水洗※封孔。

1)　试样处理在阳极氧化之前,分别用240#～1200#的水磨砂纸打磨试样表面,并对其进行机械抛光处理,以降低试样表面的粗糙度;然后用55g /L 的氢氧化钠溶液碱蚀去掉试样表面的氧化膜,并用20%的硝酸溶液进行出光处理;最后用去离子水清洗干净。

2)　阳极氧化将预处理好的AC7A 试样悬挂于氧化槽中,并与直流电源的正极相接,直流电源的负极接铅板,正负、两极之间的距离为50mm 。

阳极氧化时,采用低温恒温水浴加机械搅拌的方法保证温度恒定。

3)　氧化后处理阳极氧化结束后,用蒸馏水对试样进行冲洗,并用沸水法对其进行封孔。

实验分别在温度为2,5,8,12,15℃;电流密度为1.5,2,2.5,3,4A /dm 2的条件下进行,氧化时间均为1h 。

1.4　分析测试方法氧化后试样的表观形貌通过JSM -6700冷场发射扫描电子显微镜进行表征;氧化膜的成分通过INCA Ene rgy -X 射线能谱仪进行测量;氧化膜的厚度通过XJZ -6A 金相显微镜测量;氧化膜的硬度通过H VS -1000型显微硬度计测定,所加载荷为0.049N (50g ),加载时间为20s 。

2　实验结果与分析讨论2.1　阳极氧化温度对膜的硬度和厚度的影响AC7A 铝合金在硫酸草酸电解液中氧化1h 后,生成膜层的硬度和厚度随电解液温度的变化情况见图1所示。

由图1a 可见,随着氧化温度的升高,生成膜层的硬度逐渐降低,2℃时,生成膜层的硬度最高为471HV 50(基体硬度为67H V 50),所以要保证生成膜层的硬度,氧化温度越低越好;从图1b 可见,随着氧化温度的升高,膜层的厚度逐渐下降,但是在8℃时也有一定的回升,尤其是当电流密度为2.5A /dm 2时,其变化最显著。

图1　氧化温度对AC 7A 铝合金阳极氧化膜硬度和厚度的影响85青岛大学学报(工程技术版)第25卷综合考虑图1中a 和b ,在2℃时,膜层的硬度和膜厚均最佳。

但是在实际生产中,氧化温度控制的越低,耗能越大,成本就越高,所以氧化温度还要根据实际情况而定。

2.2　电流密度对阳极氧化膜的硬度和厚度的影响图2　氧化温度为2℃时电流密度对膜的硬度和厚度的影响 在氧化温度为2℃、氧化时间为1h 的条件下,AC7A 硫酸草酸阳极氧化膜硬度、膜厚随电流密度的变化情况见图2所示。

从图中可以看出,膜层的硬度和厚度均随电流密度的增大而增大,在电流密度为3.0A /dm 2时达到最大值,之后又逐渐减小。

最大硬度H V 50为471,厚度也是在电流密度为3.0A /dm 2时最大为75μm 。

2.3　优化参数下AC 7A 硫酸草酸阳极氧化实验结果 由以上实验可知,在氧化温度为2℃、电流密度为3.0A /dm 2时,AC7A 铝合金氧化生成硬度和厚度比较好。

在该工艺参数下,制备生成膜的金相照片和扫描电镜照片见图3所示。

在图3a 中,右边白亮色的为铝基体,中间颜色略暗的为氧化膜层,可见氧化膜厚度均匀且致密,膜厚为75μm 。

由图3b 可见,氧化膜表面为多孔蜂窝状。

这种多孔结构可使膜层对各种有机物、树脂、地蜡、无机物、染料及油漆等表现出良好的吸附能力,可作为涂镀层的底层,也可将生成膜染上各种鲜艳的色彩,对铝制品进行装饰。

图3　在优化参数下AC 7A 阳极氧化膜的金相和扫描电镜照片为了确定生成膜的组成成分,采用X 射线能谱仪对氧化膜进行能谱分析,其结果如图4所示。

从图中可以看出,氧化膜主要由O ,Al 和Mg 等3种元素组成,其中,M g 的原子百分比仅占0.78%,氧和铝的原子百分比分别为61.55%和37.67%。

进一步分析可知,生成膜的主要组成成分为Al 2O 3和少量的M gO 。

3　结论1)　AC7A 硫酸草酸(质量浓度比10∶1)阳极氧化膜的硬度和厚度均随温度的升高而减小,但是在8℃时均略有回升,尤其是电流密度为2.5A /dm 2时。

2)　实验中获得的最佳工艺参数为:电流密度3.0A /dm 2、氧化温度2℃,在此参数下氧化1h ,所制备的阳极氧化膜的硬度为471H V 50,氧化膜厚度为75μm 。

86　第2期 郭建章,等:AC7A新型铝合金硫酸草酸阳极氧化研究图4　在优化参数下AC 7A 阳极氧化膜的能谱图3)　AC7A 硫酸草酸阳极氧化膜的表面为多孔蜂窝状结构,氧化膜的主要组成成分为A l 2O 3和少量的M gO 。

参考文献:[1]　林刚,林惠国,赵玉涛.铝合金应用手册[M ].北京:机械工业出版社,2006.[2]　罗一帆,许旋,陈学文,等.铝合金硫酸阳极氧化工艺[J ].电镀与涂饰,2004,23(1):33-35.[3]　曹经倩,史少欣,曾为民.铸铝合金上弱酸阳极氧化[J ].材料保护,2000,33(7):22-23.[4]　T akenaka T ,H abazaki H ,K onno H .Fo rmation of Black A no dic Films on A luminum in A cid Electro ly tes Containing T i -tanium Complex A nion [J ].Sur f Co at T echno l ,2003,170:155-159.[5]　朱祖芳.铝合金阳极氧化与表面处理技术[M ].北京:工业出版社,2004.Process Research of Sulphuric -Oxalic Acid Anodizingon AC7A Aluminum AlloyG U O Jian -zhang ,ZH A NG Shu -ai ,X U Bin ,ZH AO Cheng(College of Electromechanical Engineering ,Qing dao Unive rsityof Science and Technolog y ,Qing dao 266061,China )Abstract :In order to im prov e the perfo rmance o f ano dic alumina ,AC7A aluminum alloy w as anodized in sulphuric -o xalic acid (concentration ratio o f 10∶1),and the anodizing process paramete rs w ere optim ized .The ex periment results show ed that the oxide film is porous ho neycomb structure ,the hardness and thick -ness of the o xide film decreased w ith the increasing of the so lution tem perature ;Unde r the process pa rame -ters (i =3.0A /dm 2,t =2℃,1ho ur anodic o xide ),the hardness of the film w as 471H V 50,and the thick -ness of the film w as 75μm .T he results sho wed that the hardness and thickness of the o xide film met the requirement of the AC7A aluminum alloy w hich w as ano dized in sulphuricox alic acid (concentration ratio o f10∶1),and the service life of the aluminum alloy com po nents w ere improved .Key words :AC7A aluminum alloy ;anodic o xidation ;hardness ;thickness87。