铝合金阳极氧化技术研究进展

铝合金阳极氧化技术研究进展

高镜涵，李菲晖，巩运兰，任时

（天津商业大学生物技术与食品科学学院，天津300134）

摘要：铝合金表面处理技术能够很好地清洁材料表面，结合阳极氧化技术能够提高铝合金基体表面的硬度、耐蚀性和耐磨性。本文概述了多种阳极氧化的工艺，为研究新技术工艺、开拓新应用领域提供了有力支持。

关键词：铝合金；阳极氧化技术；表面处理技术

中图分类号：TQ153.6文献标识码：A

Recent Research Progress of Surface Treatments and Anodic

Oxidation of Aluminum Alloys

GAO Jinghan，LI Feihui，GONG Yunlan，REN Shi

（College of Biotechnology and Food Science，Tianjin University of Commerce，Tianjin300134，China）

Abstract：The surface pretreatment technology of aluminum alloy can clean the surface of the material，and improve the hardness，corrosion resistance and wear resistance of the aluminum alloy matrix surface combined with the anodic oxidation technology.In this paper，a variety of anodic oxidation processes were introduced.This work provides strong support for researching new technology and developing new application fields for aluminum alloys.

Keywords：aluminum alloy；anodic oxidation process；surface pretreatment

引言

铝合金材料具有相对密度小、比强度高、易于机械加工、导电导热性能优良、易于成形、价格便宜且外观可着色等一系列优点，广泛应用于航空航天、船舶制造、兵器工业和轻工建材等多个领域，是具有经济价值和商业应用意义的优异材料。铝合金材料具有较强的氧结合性，可以与空气中的氧化合，在合金表面形成一层氧化膜。研究发现，这一类氧化膜是非晶态Al2O3。这种自然反应产生的薄膜具有一定的防护效果，但是由于厚度不足，耐腐蚀性比较差，往往难以满足要求。因此，常需利用电化学手段对合金表面进行处理，在铝合金表面形成一层均匀、连续、致密的多孔氧化铝薄膜，使材料表面的耐蚀性、耐磨性提高［1-2］。处理后的合金材料具蜂窝的多孔结构，呈现出较强的化学活性和物理吸附性能，可通过吸附着色剂获得不同的外观，使材料具有更好的装饰性和功能性。

1表面预处理工艺

铝合金表面常常因为自然氧化或人为接触的缘故，在表面形成一层氧化膜，这层氧化膜的存在

doi：10.3969/j.issn.1001⁃3849.2018.08.004

收稿日期：2018-05-10修回日期：2018-05-28

基金项目：国家大学生创新创业训练计划项目（JDG70103），天津市131第三层次人才资助（2017ZT020118），天津商业大学科研启动项目（2016ZT010327）

会影响到阳极氧化的效果，因此，常需要借助物理或者化学等手段对其表面进行处理，去除表面氧化膜及污染物，得到洁净、平整、活化的表面［3］。通常铝合金表面预处理工艺包括机械打磨、碱蚀、出光和水洗等基本过程。

机械打磨是表面预处理经常使用的一种手段，通过机械打磨的方式可以增大铝合金表面的粗糙度，有助于获得较大面积的孔隙表面，从而改变材料本身的浸润性，通过与修饰物结合等形式达到降低材料的摩擦因数、提升材料防腐抗蚀性能的效果［4-5］。

碱蚀是铝合金表面预处理的关键步骤，通过控制温度、碱蚀时间等基本参数，利用碱液对铝合金化学浸蚀的方法对表面整平。碱蚀包含脱脂、碱蚀、中和等步骤。碱蚀过程工艺简单且环境友好，通过添加不同的化合物可以达到多种效果［6-7］。例如，在碱液中添加部分柠檬酸钠，可以防止槽液中沉淀的产生［8］。碱蚀过程中在合金表面容易形成缺陷，如腐蚀麻点、晶界腐蚀沟槽和腐蚀台阶［9］。其中腐蚀麻点的形成与材料中的第二相颗粒有关。晶界腐蚀沟槽则是由于晶界位置处能量起伏导致的呈现沟槽状表面缺陷。此外，不同结晶学取向的晶粒也呈现出不同的腐蚀速率，从而在晶粒之间形成腐蚀台阶［10-11］。Yang等［12］在模拟海洋环境中测试研究了铝合金的腐蚀行为，发现该环境中的腐蚀是由点蚀引起的，晶间腐蚀随着时间的增加而发生并加剧。Ma等［13］研究了碱蚀对AA2099铝锂合金微观结构的影响与在酒石酸−硫酸溶液中的阳极氧化行为，研究发现：第二相粒子在合金中形成成分起伏和结构缺陷，导致阳极氧化速度明显不同，合金基体中的铜元素在氧化时造成氧气泡的形成与破灭，从而打破原有阻挡层，增大合金表层的孔隙。随后，麻彦龙等［14］研究发现：AA2099铝锂合金经碱蚀处理之后，合金表面第二相颗粒的数量显著下降，在材料表面形成了纳米级的网状结构，从而使这种表面宏观平整度提高，微观表面结构存在扇贝状凹坑。这样的结构不仅可以提高阳极氧化效率还可以得到更为连续完整的膜结构。前人研究表明在碱性溶液中的蚀刻导致从合金表面去除金属间粒子，并且在残留的氧化铝膜的正下方形成薄的富铜层［13］。Wang等［15］对碱蚀后AA7055铝合金的局部击穿研究表明：在表面层中，基体合金固溶体中的Cu含量是表面层击穿的主要原因，为了去除金属间粒子可以适当降低蚀刻后钝化电流密度。

为降低铝耗并获得细腻、均匀的起砂效果，人们在碱蚀中的除油槽和碱蚀槽之间插入了酸蚀槽和水洗槽。这种方式具有更好的整平效果，砂面细腻耗损低，是目前对铝合金进行预处理的主导选择。该手段能够除去氢氧化钠在工件表面碱蚀形成的难溶化合物，使得合金表面更为清洁，同时也可达到表面活化的功效［16］。酸蚀工艺中的氟化氢铵导致处理过程中会逸出有毒气体（HF），还会在生产中伴生大量含氟废水、废渣，对环境与人体均有危害。张超等［17］发展了无氟无铵铝合金表面预处理新工艺，探索了配方、浓度、温度、时间等条件对铝耗和预处理表面形貌的影响。

2阳极氧化溶液体系简介

将铝合金作为阳极材料、纯铝作为阴极材料，置于电解槽中，当通过电流时会在铝合金表面形成氧化膜，这一过程称为铝合金的阳极氧化。经过阳极氧化，铝合金基体表面生成微米级厚度的多孔蜂窝状结构氧化膜，比自然生成的氧化膜层具有更好的耐磨、耐腐性。

铝合金阳极氧化的过程体现为氧化铝膜在铝基体表面生成的过程与氧化膜溶解过程的综合叠加效应［18-19］。根据电解液的主要成分不同可以分为铬酸阳极氧化、草酸阳极氧化、磷酸阳极氧化、硼酸-硫酸阳极氧化等主要类型。

2.1单一酸阳极氧化

2.1.1铬酸阳极氧化法

铬酸阳极氧化法是一种适用于精细表面工件加工处理的方法，在航空航天工业中多有应用。其工艺条件为：30~100g/L铬酐，温度40~70℃，电流密度0.1~3A/dm2，电压0~100V，氧化时间为

35~60min。利用铬酸阳极氧化法制备得到的氧化膜通常较薄，具有较好的耐蚀性和附着性，一般呈现不同深度的灰色，膜层致密，工艺简便，无需封闭处理。但该阳极氧化法仍存在耐磨性能不佳的问题，同时由于六价铬毒性大，对环境与操作人员造成比较严重的损害，也成为限制其发展的一个重要因素［20］。