硬质阳极氧化处理技术

新井元彦

1、序

在阳极氧化皮膜中，具有优良皮膜硬度和耐磨性的皮膜叫做硬质阳极氧化皮膜，多用在

工业机械上和运动部或流体接触的需要耐磨性和硬度的部分。

我国的硬质铝氧化大概从昭和25年开始在一些研究者和工厂技术人员中尝试，此时还没有

关于硬质氧化的明确定义，开始只是按照比普通氧化膜硬的品质式样进行处理的。然后，随

着工业处理方法的确立，品质性能的标准也开始明确。作为处理对象的铝合金，为了提高机

械性能和加工性能添加了多种合金成分，这些合金给硬质氧化造成了一定困难。

本讲中，参照1995年制定今年8月修订的JIS H8603[铝及铝合金的硬质氧化皮膜]对一些

必要的事项进行解说，希望对使用硬质氧化产品时有所帮助。

2、铝合金和硬质皮膜

阳极氧化皮膜由于是铝材本身作阳极得到的，铝合金材料对皮膜的性能救护有很大影响。硬质氧化的皮膜大多在50㎛左右，与一般的氧化膜的10㎛相比更能反映素材的性质，

而表现为皮膜性能差异。在JIS H8603规格中根据素材性质将皮膜分为5类，来表示皮膜

性能差异。表1是最据代表性的硬质皮膜种类。

种类延伸材÷铸造才压铸材

1类A1080,A1070,A1050,A1100A,A3003,

A3004,A5005,A5N01,A6061,A6063,A

6N01

2类（a）A2011,A2014,A2017,A2024

2类（b）A5052,A5056,A5083,A7075,A7N01

3类（a）AC4C,AC7A ADC5,ADC6

3类（b）AC1B,AC2A,AC3AC3A,A

C4B，AC5A,ACB8A,AC9A ADC1,ADC3,A DC10,ADC12

注）工业中常用铝合金在JIS规格分类中的归属。

铝合金根据添加的合金分为1000系列～7000系列，根据其特长可以分别使用。

1类合金指能获得良好硬质皮膜的合金。

2类（a）的2000系列以硬铝（2017）和超硬铝（2024）为代表，具有于钢相匹敌的强度，但是为了增强强度添加的铜，作为CuAl2对硬质皮膜有影响，无法得到性能良好的皮膜。只有在处理方法上进行各种改善。或在上面压延表面处理性能良好的铝合金再进行氧化。

2类（b）的7000系列合金含锌和镁，以超超硬铝（7075）为代表具有最高强度的铝合金。硬质氧化时合金成分会溶解难以得到性能良好的皮膜。5000系列中的2类（b）指定的合金含有大量镁，氧化时镁会溶解难以得到性能良好的皮膜。

3类（a）中制定的材料是铸造铝和压铸铝，铜不到2％，硅不到8％，是铸造铝和压铸铝中表面处理性能较好的材料。

3类（b）中制定的材料合金成分添加量大，表面处理特别困难，皮膜性能由合作双方商定。

新井元彦3．硬质氧化处理

硬质皮膜比普通皮膜厚、硬，处理方法是尽量有效、快速的生成皮膜厚度，并且要组合具有生成硬质皮膜条件的溶液和此处理条件。处理法方法一般：1）增大阳极氧化的电流密度，加快氧化速度2）降低电解液的温度，抑制皮膜的溶解。随着电解的进行膜厚逐渐增加，处理电压也要随之升高。处理电压升高，孔径增大，孔数减少，孔壁增厚，皮膜变硬。表2 是代表性的硬质氧化处理方法。

处理方法电解液主成分电源·电压V 电流密度A/dm2 浴温度℃参考

硫酸浴硫酸18％DC·~60 3.5 0 标准

硫酸·草酸添加浴硫酸15％草酸

1％

DC·25~100 1.5~3.5 0~10

硫酸浴交直重叠法硫酸～25％DC＋~80

AC ~60 2~4

1~3

0~5 2000系等

草酸法交直重叠法草酸5～10％DC＋30~60

AC 40~60 2~3

1~2

15~20

根据皮膜的用途和目的选择使用。另外，还有皮膜溶解少可以在常温下处理的溶液。4．硬质皮膜性质

4．1皮膜厚度

皮膜厚度使用平均值，以防止合金导致的厚度不均。硬质氧化的国外规格：标准50㎛，误差±10㎛。膜厚制定为100㎛时，误差范围不变。硬质氧化厚度只有普通氧化膜的1/3~1/2,在材料的外测成长，需要注意对产品尺寸的影响。

4．2皮膜颜色

硬质皮膜的颜色根据合金种类、处理方法、厚度不同。根据硫酸溶液标准法处理A1100时，皮膜的颜色随着膜厚的增加，呈淡灰色→灰褐色→浓灰褐色变化。根据合金种类，一般呈现暗灰色或黑褐色。不过，直交重叠法或电流反转法得到的皮膜颜色比较淡。

4．3表面粗糙度

通常随着膜厚的增加而变得粗糙。电解液温度越低，电流密度越高，越粗糙。另外，直交重叠法或改变电源波形的电解法得到的皮膜表面较粗糙。因此当指定处理后的粗糙度时，在处理前需要将粗糙度调整至指定粗糙度的1/2。

4．4皮膜硬度

从皮膜用途来看，硬质皮膜最重要的就是耐磨性，也就是耐磨性。硬质皮膜是素材被氧化为氧化膜形成的，因此硬度受合金种类、电解液、处理条件影响较大。人们根据合金种类研究了各种处理方法，以提高皮膜的性能，JIS中的材质皮膜硬度几乎是固定的。

在阳极氧化处理工艺中，不溶解的元素：硅、铅；溶解但以氧化物或其他不溶性化合物

新井元彦

存在的元素：镁、锌；溶解性强，不会在皮膜中以安定化合物存在的元素：铜、镍等添加成分的影响会残留在氧化皮膜中。

JIS中规定硬质皮膜的硬度进行断面测定。素材硬度越高，表面硬度越低。皮膜越厚，此差越大。因此测量要在皮膜中央进行。

4．5耐磨耗性

耐磨耗性大多使用平板旋转磨耗试验（taper磨耗试验），JIS中使用往复运动平板摩擦和喷射磨耗试验，平板旋转摩耗实验，三种方法任选其一。磨耗状态多种多样，耐磨耗试验也要根据其使用选择相应的试验方法。平板旋转摩擦是在一个方向上的褶动磨耗实验，往复运动平面磨耗反转、反复褶动磨耗方向的实验，喷射磨耗则是在一定压力下喷射人造研削材料的实验。

阳极氧化皮膜容易受湿度影响，求磨耗导致的重量减少量时，对实验室的环境特别是适度管理有要求。往复运动平面磨耗试验和喷射磨耗实验使用的磨耗机、研磨纸、研磨剂、实验时期、环境都会导致数据变动，所以每个试验结果缺乏相关性。为解决这个问题，JIS中采用了耐磨耗试验基准试验片（H8601附属书1），用基准实验片的测定值和比率表示。另外，硬质皮膜除对耐腐蚀性有要求外，一般不仅行封孔处理。因为封孔处理回导致耐磨耗性降低。

表3表示的是在平板旋转磨耗实验中，封孔处理对耐磨耗性的影响。表4往复运动平面磨耗、喷射磨耗、平板旋转磨耗的相互关联。表5各种材料和硬质皮膜耐磨性的比例关系。

表3皮膜硬度和平板旋转摩擦

注）平板摩擦根据CS-17。封孔镍盐90℃·20分

材料往复运动平面摩擦喷射摩擦平板旋转摩擦ds 磨耗

量㎛

d/㎛比率㎛秒S/㎛比率CS-17.mg

1050 700 16.2 43.21 100 51.1 285 5.7 100 8.1 8.9 9.3

2014 300

300 24.2

24.1

12.40

12.44

28.7

28.8

49.2

52.1

130

120

2.6

2.3

45.6

40.3

22.8

22.3

－

－

－

－

2024 300

300 25.3

21.3

11.86

14.08

27.4

32.6

52.4

48.6

130

130

2.5

2.7

43.9

47.4

－

－

24.8

23.6

－

－

7075 700

700 28.2

25.8

24.82

25.8

57.4

62.8

49.1

53.1

150

180

3.1

3.4

54.4

59.6

－

－

－

－

13.2

16.5

材料膜厚25㎛50㎛80㎛

皮膜硬度平板磨耗皮膜硬度平板磨耗皮膜硬度平板磨耗A5052 未封孔422HV 10.2mg 409HV 11.0mg 416HV 18.6mg 封孔427 27.1 418 22.5 425 38.4

A1050 未封孔418 11.2 425 10.5 411 11.1 封孔433 16.2 436 17.4 427 19.2