铝合金表面复合阳极氧化

铝离子
二、实验材料及研究方法
阳极氧化工艺流程 制作铝合金试样 脱脂 碱蚀
装挂具
化学抛光
除灰 形貌
硬质阳极氧化
检测
厚度 硬度
三、硬质阳极氧化研究
硬质阳极氧化技术路线
2024铝合金试样 硬质阳极氧化 不同工艺参数设定 氧化后试样 金相、SEM分析 硬度分析
微观结构、膜层厚度、硬度
分析工艺参数得出结论
a
Anoding film
b
Anoding film
Substrate
Substrate
20μm
20μm
c
Anoding film
d
Anoding film
Substrate
Substrate
20μm
20μm
图4.3热处理后样品横截面的金相照片
(a-100℃;b-200℃;c-300℃;d-400℃)
三、硬质阳极氧化研究
优化前预处理
机 械 预 处 理
A.线切割铝合金试样45mm× 40mm× 8mm
B.砂纸打磨，机械抛光
A. 15%的硫酸溶液室温处理3~5分钟（脱脂处理）
化 学 预 处 理
B. 5% 的氢氧化钠溶液，50~70℃处理4分钟（碱蚀处理）
C. 25%硝酸溶液，室温处理4分钟（除灰处理） D.磷酸、硫酸、草酸溶液，110~120 ℃ 处理3~5分钟（化学抛光处理）
图1.2 铝多孔型阳极氧化膜的单元 胞结构模型
一、绪论
膜层薄、硬度低 民用铝材防护与装饰
普通阳极氧化
阳 极 氧 化
硬质阳极氧化
硬度＞300HV
硬质耐磨功能膜
复合阳极氧化
复合硬质及润滑颗粒 增强功能膜层耐磨性能
一、绪论

研究目的和意义 1）研究铝合金表面阳极氧化制备新技术及其相关机理； 2）提高氧化膜表面硬度、耐磨性和自润滑性，为无油润滑应用奠定研究基础。
硝酸（化学纯）
PTFE浓缩分散液
二、实验材料及研究方法
氧化槽：自制PVC阳极氧化槽 实 验 设 备
冷却装置：新飞128冰柜 电源：H2—P2脉冲/直流电源
搅拌装置：电动搅拌器 数显显微维氏硬度计
检 测 设 备
光学显微镜，场发射扫描电镜 X射线衍射仪 摩擦磨损试验机
二、实验材料及研究方法
dasher
直流
直流叠加脉冲
长 细 直 管
单脉冲
正负脉冲
长 细 直 管
图3.9不同电源波型氧化膜层截面SEM照片
四、热处理对阳极氧化膜层的影响研究
热处理条件和研究方法 热 处 理 方 案
直流条件制得硬度约400HV样品
在电阻炉内进行加热处理和随炉冷却
处理温度选择100~400℃
保温时间1小时
热 处 理 后 检 测
Current density /A· dm-2
图3.5氧化温度影响 （2A/dm2、40min）
直流电源氧化中电流密度与温度对膜层厚度和硬度的影响
直流叠加脉冲电流的应用
440
52 50
占 空 比 影 响
420
48 46 44 42 40 38
Hardness/HV
380
426HV
360 340
380
60 58
42 390
Hardness/HV
Y2 Axis Title
56 360 54 52 50 340 48 46 44 42 320 40 38 0 2 4 6
380 40 370 38 360 -4 -2 0 2 4 6
Temperature/℃
图3.4电流密度影响 （40min、0℃）
一、绪论
研究背景
1) 铝合金：导热性好、容易加工、 低噪音，是制备机械摩擦零件的 重要材料之一；但硬度低，需要 表面处理； 2) 表面阳极氧化技术：在铝合金表 面制备耐磨的Al O 氧化膜提高耐 磨性能；
2 3
3) 传统氧化技术存在的问题：工业 直流氧化的膜的硬度在320-380H V范围，耐磨性差，需要研究新 的制备技术。
图1.1 铝合金表面阳极氧化 制备的耐磨零件
一、绪论
阳极氧化成膜过程及膜层 结构
铝合金作为阳极，Al、Pb或其它金 属作为阴极，通电后生如下反映： 阳极： 2Al + 3H2O→Al2O3+ 6H + +6e （成膜过程） Al2O3+6H+→2Al3++3H2O （膜溶解过程） 阴极： 6H2O+6e→3H2↑+6OH 氧化膜层结构为靠近铝基体的阻挡 层和多孔层组成，成分主要为非晶 态的Al2O3。
T2
Time/S
正负脉冲
单脉冲
J/a/dm
J/A/dm
2
Time/S T1 T1 T2
T2
Time/S
图3.3 电源波形示意图
三、硬质阳极氧化研究
直流电源的应用
70 400
hardness thickness
68 66 64 62
410
hardness thickness
44
400
Hardness/HV
铝合金材料如何制备成如下零件用材料：
1）耐蚀零件，如高压锅、铝合金门窗等； 2）耐磨零件，如发动机活塞，纺织机械零件等； 3）自润滑零件，食品、缝制机械行业的摩擦零件。
铝合金复合硬质阳极氧化 及其机理
目录 绪论 实验材料及研究方法 硬质阳极氧化研究 热处理对阳极氧化膜层的影响研究 铝合金复合硬质阳极氧化研究 结论
图4.2热处理温度与膜层硬度变化曲 线（无氢气保护）
热处理温度对外观形貌的影响
1# 2# 3# 4#
5#
6#
7#
突 起
图4.2不同处理温度时样品宏观形貌 （处理温度分别为：1#100℃、2#150℃、3#200℃、4#250℃、 5#300℃、6#350℃、7#400℃）
热处理温度对外观形貌的影响
Aluminum ally
electrolyte
+
_
PVC groove Power supply leading Cooling Installation
图2.1 实验装置示意图
二、实验材料及研究方法
阳极氧化实验工艺过程 氧化槽液配制 表2.3 阳极氧化溶液配方组成 成分 硫酸 草酸 氨基磺酸 含量 220~250g/L 15~20g/L 3~5g/L 3~5g/L
0 0 20 40 60 80 100
0
2θ /°
2θ /°
（A） （B） 图4.8热处理温度为100 ℃(A)和 300℃(B) 时氧化膜层XRD图谱
热处理后样品SEM微观形貌分析
aa
b
b
c
c
d
d
图4.9热处理样品氧化膜层表面SEM扫描照片 (a-未经热处理; b-100℃; c-200℃; d-300℃)
Thickness/m
10 12
Hardness/HV
420 HV
56 54 52 50 48 46 44 42 40 38
8
36 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
Temperature/℃
Temperature/℃
图3.7 温度对膜层硬度和厚度影响 (J1=3J2=3A/dm2 ，T1=3T2=90ms、40min)
Temperature/℃
Temperature/℃
图3.6 不同温度比对膜层硬度和厚度度影响（单脉冲）
540
48
正 负 脉 冲 电 源
520
46
500
Hardness/HV
480
Thicknessm
432 HV
44
460
400 HV
42
40
440
38
420
36
400
34
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
热处理后样品SEM微观形貌分析
a
b
c
d
图4.10热处理样品氧化膜层截面SEM扫描照片 (a-未经热处理; b-100℃; c-200℃; d-300℃)
宏观形貌对比分析 微观形貌对比分析 物相分析 显微硬度测试分析 摩擦性能测试分析
热处理温度与氧化膜层硬度的关系
750
600
700
protype hardness heated hardness
580 560
protype hardness heated hardness
650
540
Hardness/HV
热处理对氧化膜层摩擦性能的影响
30
0.22 0.21 0.20 0.19
A B C D
25
20
Friction coefficient
0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11 0.10 0.09 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
1 Al 2 Amorphous Al2O3
1
1
16000 14000
Intensity/a.u
12000 10000 8000 6000 4000 2000
1 Al 2 Amorphous Al2O3 3 Al2O3
8000
6000
4000
1 2
1
1 2
1
2000
3
0 20 40 60 80 100
热处理温度对外观形貌的影响
A
Crack
B
Crack
100μm
图4.4热处理后样品表面微观照片 (A:200℃热处理、B: 300℃热处理 )
热处理后氧化膜层韧性分析
a
b
Substrate 25N 50N
100N
Film Film Substrate
100N
20μm
Crack
20μm
图4.5热处理样品韧性分析照片(硬度压 痕分析 )(a-200℃; b-300℃ )
表2.1 2024铝合金的成分
铜 3.8~4.9 锰 0.3~0.9 镁 1.2~1.8 铁 0.5 镍钛锌 0.5~1.2 铅 ≤0.1 锡 ≤0.1 铝 余量
表2.2实验药品与材料
硫酸（化学纯） 草酸（化学纯） 氨基磺酸（化学纯） 硫酸铝（化学纯） 氢氧化钠（化学纯） 磷酸（化学纯） 去离子水（化学纯） 十二烷基苯磺酸钠（化学纯） 烷基酚聚氧乙烯醚（化学纯） SiC纳米颗粒
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
Temperature/℃
Temperature/℃
图3.7 不同温度对膜层硬度和厚度度影响（双脉冲）
氧化膜微观结构与形貌
b
结构单元 图3.8 氧化膜层表面微观结构（直流）
微孔
微孔的直径小于20nm左右，氧化膜的厚度大于40μm，微孔 的长度是直径的2000倍，直通孔低的阻挡层。

研究内容
优化混合酸氧化溶液；研究直流、直流叠加脉冲、正负脉冲和单脉冲四种电 源在硬质阳极氧化中的应用技术； 对氧化后样品进行热处理，分析热处理后氧化膜层硬度、韧性、耐磨性能的 变化情况；
研究分别在氧化槽液中添加纳米SiC和PTFE难溶颗粒制备复合氧化膜的技术。
二、实验材料及研究方法
• 实验中的合金材料与其它药品材料，如表2.1与2.2所示
三、硬质阳极氧化研究
电解液的影响因素
36 33 30 27
0.8
250g/L 150g/L
0.7 0.6
21
Conductance/S.cm-1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
24
Voltage/V
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
18 15 12 9 6 3 0 -3
Hardness/HV
百度文库600
520 500 480 460 440
550
486 HV
452 HV
500
450
420 400
400 100 150 200 250 300 350 400
40
80
120
160
200
240
280
Temperature/℃
Temperature/℃
图4.1热处理温度与膜层硬度变化 曲线（通氢气保护）
单脉冲和正负脉冲的应用
47
430
46
单 脉 冲 电 源
420
45
410
44
Hardness/HV
400 390 380 370 360 350 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Thickness/m
43 42 41 40 39 38 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
403HV
50 0.0
0 20 40 60 80 100 120
Time/min
H2SO4concentration/wt%
图3.1 150g/L和250g/L硫酸浓度电 解液槽电压的变化曲线图
图3.2 硫酸浓度与导电率关系
三、硬质阳极氧化研究
直流 直流叠加脉冲
J/A/dm J/A/dm
2
2
Time/S
T1
Thicknesm/m
400
36
0
2
4
6
8
10
0
2
4
Thigh/Tlow
Thigh/Tlow
6
8
10
图3.6 不同占空比对膜层硬度和厚度度影响 (J1=3J2=3A/dm2 ，周期120ms，氧化温度为5℃)
540 520
60 58
温 度 影 响
500 480
460 440 420 400 380 360 340 -6 -4 -2 0 2 4 6
0 No treatment 100℃ 150℃ 200℃ 250℃ 300℃ 350℃ 5
Quality/g
15
10
Rev/N
图4.6不同处理温度的摩擦系数曲线 图4.7不同热处理温度时样品的磨损量
热处理后样品XRD物相分析
14000
18000
12000
Intensity/a.u
10000