阳极氧化中烧损行为及防止

阳极氧化中烧损行为及防止
作者:汉霖企业
阳极氧化中烧损行为及防止
王平，魏晓伟
(西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039)
摘要：利用自制脉冲恒流电源装置，对活塞(ZL109)硬质阳极氧化进行了试验研究。

分析讨论了在大电流密度下阳极氧化烧损的原因，得出了电流密度、氧化面气泡、合金成分等是阳极氧化过程中烧损的主要影响因素，提出了防止氧化面烧损的措施。

关键词：阳极氧化；电流密度；气泡；烧损
阳极氧化是指铝及其合金的表面处理方法，可以制得高品质的防护、装饰和功能性膜。

为了提高氧化膜性能，需要得到厚而致密的氧化膜。

硬质阳极氧化在低温电解液和大的氧化电流密度下可以生成致密而硬度
很高的氧化膜。

然而在低温电解液和高的电流密度下，由于电流在氧化面上的分布不均匀和受铝合金成分、槽液温度、电压、膜厚等因素的影响，会引起氧化面局部电流过大，氧化面反应热和焦耳热散失不良时，导致氧化膜电击穿，造成基体的局部破坏形成“烧损“。

常规阳极氧化法为避免烧损，电流密度都选用1～5 A／dm2，这样虽然避免了烧损，同时也降低了生产效率。

文章利用自制阳极氧化设备，对活塞(ZL109)进行了电流密度为5～ 9 A／dm 2的硬质阳极氧化试验研究，提出了防止氧化面烧损的措施。

1 试验
1．1 实验材料和装置
选用ZL109活塞为实验对象，其成分(质量分数)为：11％～13％si，0．5％～1．5％Cu，0．8％～1．3％Mg，0．8％～1．5％Ni， Al为余量。

装置：自制的脉冲恒流电源WD20．500型、脉冲电源电流输出为0～500A(直流)和0～500A(脉冲)并具有恒流特性，脉冲周期、占空比、脉冲形状(梯形、矩形)均可调，空载电压为125V左右，电源功率在30W 左右。

PVC氧化槽、热交换器、阴极不锈钢板、测厚仪(Minitestl00FN型)、显微硬度计(Hx．1000型)、温度计、搅拌器等设备。

1．2 氧化处理
对活塞顶部进行局部氧化处理，非氧化区采用密封效果极佳的橡胶件密封。

工艺过程如下：活塞一碱性除油一去离子水洗一装挂具一酸洗一水洗一硬质氧化一去离子水洗一封闭一干燥。

(1)碱性除油。

室温下，工件在氢氧化钠(15％)、表面活性剂(5％)溶液中处理3～5min以除去表面的油污。

(2)酸洗。

碱性除油后，针对表面部分碱液残留，再采用浓度为20％-30％的硫酸溶液来酸洗活塞的待氧化面，不但能中和氧化面上的残留碱液，而且可以消除氧化面“挂灰”吸附膜。

(3)硬质氧化工艺条件。

H2SO4浓度160～200g／L，添加剂(苹果酸和草
酸各50％)10-30 g／L，温度．5℃~20"C，电流密度5～9 A／dm2，交流电压25～ 65v，时间30~60min，氧化中采用搅拌排除氧化面上的气泡。

(4)封闭处理。

氧化后将动盘放入80～90℃自来水中，对动盘氧化面进行热水封闭8～10min，取出干燥后，立即用自制纳米封闭剂进行最后封闭，使纳米氧化微粒等渗到氧化膜微孔中。

2 烧损机理分析
目前有关烧损机理的解释是由于阳极氧化时局部电流密度过大造成氧
化膜局部或普遍的融解，同时可能发生膜下金属的部分或全部融解。

这是由于阳极氧化过程中不能有效散热，造成严重的过热状态。

也有研究认为是反应到一定阶段后，随着电压的升高，膜孔中的析氧量上升，同时生成大量的焦耳热和反应热，由于氧气是不导电的，积累的氧使膜电阻上升。

电阻急剧上升，在高电压下膜层热量进一步增加，达到一定程度后就会引起氧的气体放电，出现火花，使零件尖端电流集中处膜层首先破坏，导致零件“烧蚀”发生。

通过试验生产总结得出造成烧损出现的原因是多方面的，如电流密度过大、氧化面气泡、合金成分、导电接触不良等因素都可能导致阳极氧化中氧化面烧损。

2．1 电流对烧损的影响
电流大小和波形的选择是阳极氧化中最关键的工艺条件之一，它决定了氧化膜的质量和生产效率的高低。

传统的阳极氧化采用的直流阳极氧化电流密度较小1～2A／dm2，生产时间长，且效率较低。

一旦提高电流密度，又很容易引起氧化膜烧损。

文献[1，6]采用了交流；交、直流叠加；脉冲电流；间断电流等多种电流波形阳极氧化。

改进电流波形以后，不但提高了氧化电流密度(2～5)A／dm2、生产效率；同时也提高了氧化膜质量[4,6]，有效的避免了在大电流密度下烧损行为的发生。

本试验中，采用自制氧化电源wD20—500型，以改变电流的波形，来大幅度的提高氧化电流密度。

在室温下对铜硅元素含量高的铝合金进行快速的处理，突破了传统的低电流密度1～5A／dm2 阳极氧化，完成了硬质阳极氧化处理，达到提高生产效率和氧化膜质量的目的。

试验中电流密度可以在5～9 A／dm2内随意选取，氧化时间一般在30~40 min内膜厚即可达到85tan以上，也没有出现烧损。

目前，国内外关于电流对烧损影响的理论解释十分少见，本文比较认可文献[7]的分析，即当用脉冲电流进行阳极氧化时，大电流只在非常短的时间内通过，在短时间大电流的作用下，促进了氧化膜的生长。

又因为短时间内电流变小，所以几乎不会由于焦耳热而出现烧蚀或敷粉现象。

2．2 氧化面气泡对烧损的影响
通常，在氧化膜的生长过程中会形成大量的气泡。

这些气泡在上浮的过程中会在氧化面的上方形成一连串气泡流。

通过理论分析可以发现，这些上升的气泡会占据氧化面上方氧化液的体积。

也就是说，氧化面上可导电氧化液体积变小，溶液的导电性变差。

同时，由于氧化面上产生了大量气泡，氧化过程中发生氧化反应的面积就减小，在这些气泡未覆盖区域的电流密度就会增加，氧化反应速度加快。

在处理的过程中，如果电流密度增大，氧化面气泡形成速度更快，阳极上方溶液中含有大量上升的气泡，溶液的导电性进一步变差，氧化面电压增高，会因此生成大
量的焦耳热和反应热；在高电压下膜层热量进一步增加；而气体的导热率又比液体减少了一半；达到一定程度后就会引起氧的气体放电，出现火花。

试验中可以观察到，氧化面上形成的气泡会迅速的上浮，在氧化中橡胶密封件与活塞氧化面接触边缘处很容易形成了尺寸较大的气泡，而且不易排除。

分析认为以下三个原因造成在这个区域更容易形成大气泡：(1)在拐角微缝处有较小的界面张力，形成气泡所需做的功较少；(2)界面上存在缝隙，微气泡可直接进入缝隙的空间，使气泡的产生无须克服巨大的附加压力，(3)在交界处形成一个气泡时，气泡的临界半径比平面处更大，因此，在此接触边缘上更加容易生成气泡。

边缘处的气泡上浮需要的浮力更大，结果导致边缘处形成体积相对较大的气泡，
远大于其它氧化区形成气泡的体积。

经实验多次观察，烧损的区域无一例外地出现在橡胶密封件与活塞表面接触的边缘上，从而造成橡胶件的破坏。

这充分验证了气泡阻挡热量的有效传递使气泡处电压急剧升高，最后导致气泡内氧气电离，气泡被击穿，出现烧损。

气泡的出现对氧化十分不利，必须及时的排除在氧化面和边缘处产生的气泡，以防止出现烧损。

在生产中可以采取人工或机械的搅拌槽液来排除氧化面上的气泡。

生产中最有效的方法是用赖酸泵泵取酸液来冲刷氧化面，在氧化面上形成旋转上升槽液，快速排除氧化面上的气泡和反应热，已在生产中取得了良好的效果。

也可以采用一种被称为“微爆空气搅拌”(简称M )的工艺技术，在日本已有一些应用。

经测试表明，采用气泡排除法后膜厚达90～107／an，显微硬度HV(载荷0．98N)达4 300～5120N／ram2。

未采用气泡排除法出现烧损现象，膜厚仅在30～64 m之间，显微硬度HV(载荷0．98N)仅在2 200-3 500 N／m 2，显然低于前者。

可见氧化中气泡的出现对烧损行为和氧化膜质量的影响是必须考虑的。

2．3 合金成分对烧损的影响
高含铜量铝合金材料经热处理后成为不均相合金，铜以偏析组织存在于晶界，在硬质阳极氧化时，CAIAI2相化合物溶解速度较快，易形成点状脱落，脱落处形成不了氧化膜。

电流就集中到此，易引起产品发生烧损报废。

当含铜量>3％，其影响变得较大。

高含硅量铝合金在硬质阳极氧化时，硅在阳极氧化时不能生成阳极氧化膜，但它能够嵌在膜内。

由于硅是半导体，硅集中处电流较大，氧化膜易被击穿而烧损零件 5。

本试验中通过改变电流波形以后，在处理ZL109合金时选取的电流(5～9)A,／dm2远大于一般高硅铸铝合金所选用的电流(1～4)A／dm2[3、5]。

这说明在电源的设计方面和电流波形的选取上还有巨大的潜力可以挖掘，不同的电源在性能上存在着巨大的性能差别。

3 结论
本文分析讨论了在大电流密度下阳极氧化烧损的原因，得出了电流密度、氧化面气泡、合金成分是阳极氧化烧损的主要原因。

除此以外，还有如下一些因素会影响烧损。

零件与挂具接触不好、导电接触不良、阴极损坏，面积太小等也很容易引起烧损行为的出现。

低温有利于膜厚及硬度提高，而且在低温状态下，氧化膜表面生成热和焦耳热易于散发，
有利于避免烧损行为的发生 5。

添加剂对阳极氧化烧损行为也有巨大的影响。

如同时添加草酸和二羟基醋酸的低浓度硫酸电解液，可以对含铜的铝合金比较有效的进行氧化而没有烧损的出现，氧化膜厚度可以稳定的达到50 urn。

以一种磺酸基芳香族化合物作为添加剂，使传统硫酸硬质阳极氧化的允许温度上限提高到40℃，同时提高了成膜速度和改善了氧化膜性能。

这种添加剂对超高硅铸铝合金的处理特别有效。

可以处理含硅量达22％-24％的压铸铝合金摩托车活塞，处理后获得硬度达到HV4 200的致密氧化膜。

作者在试验中也加入了以草酸为主的添加剂A，在处理ZL109活塞时有效的防止了烧损，提高了氧化效率。

阳极氧化中烧损发生的原因是多种多样的。

要有效的避免阳极氧化中烧损的发生，可以采取如下防止措施：
(1)合理的选取电流密度大小和电流波形，选择合适的电源；(2)必须采取有效的措施快速的排除在氧化面上形成的气泡；(3)根据合金成分的不同选取不同的添加剂，电流波形；(4)尽可能的选择较低的氧化温度；
(5)确保零件与挂具接触良好、导电接触良好，阴极导电良好。

参考文献
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