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铝及铝合金硫酸阳极氧化工艺故障分析与处理:氧化膜染色不均匀故障的预防措施

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-05  浏览次数:1155

下面结合硫酸阳极氧化过程中出现的膜层染色不均匀现象。分析这些现象产生的原因并采取有效预防措施。

 

实际上铝合金氧化膜膜层颜色不均会呈现出多种现象(如前面介绍的一些故障)。如何保证氧化膜层染色的均匀性,由于铝合金硫酸阳极氧化膜颜色均匀性主要取决于铝合金的成分以及阳极氧化处理工艺条件,如温度、电流密度、夹具、使用水质、工序间的防护等。要从实际工艺中的微细处着手,才能有效采取措施,获得色泽均匀、性能优良的氧化膜层。

 

1.选取合适的前处理方法

 

对不同铝合金,如铸造、压延或机械加工成型或经热处理焊接等工序加工的铝合金零件,要根据实际情况选择适宜的前处理方法(包括除油、出光等)。如浇铸成型的铝合金零件表面,其非机加工表面一般应采用喷砂或喷丸除净其原始氧化膜、粘砂等。对含硅量较高的铝合金(铸铝),应在含5%左右的氢氟酸和硝酸的混合溶液中浸蚀活化,目的是保持良好的活化表面,确保阳极氧化膜层质量。

 

不同材质的铝合金、裸铝和纯铝零件,或大小规格不同的铝及铝合金零件,一般不宜在同槽进行氧化处理。

 

2.选用合适的工装夹具

 

装挂夹具材料必须确保导电良好,一般选用规格较高的纯铝丝或铝筋,要保证有一定弹性和强度。并根据需要确定是否需要进行热处理。已使用过的专用或通用工夹具如阳极氧化处理时再次使用,须退除其表面氧化膜层,确保良好接触。工夹具既要保证足够导电接触面积,又要尽量减小夹具印痕,同时还要保证氧化过程中气体的顺利排出,避免某些氧化部位形成气囊,造成氧化膜层太薄或没有氧化膜层。

 

3.严格控制阳极化过程的溶液温度

 

从阳极氧化的成膜过程知道,随着阳极氧化温度的升高,膜层的颜色逐渐变深,膜层的厚度也逐渐变薄,主要原因是阳极氧化膜有绝缘性,当氧化膜形成后相应加大了电阻。这些电阻通电后,产生电压降。这样会使大量的电能转变成热能,使氧化溶液温度的升高,加速了对膜层的溶解。氧化溶液温度愈高,溶解作用愈强,因此随着氧化溶液温度的升高膜层的厚度会逐渐变薄。氧化溶液温度较低时,形成的氧化膜致密,孔隙率小,不易着色,随着氧化温度的升高,氧化膜逐渐变得疏松,膜层孔隙率逐步变大,膜层的颜色随温度的升高逐渐变深。因此氧化溶液温度是决定氧化膜致密程度的重要因素,也是决定氧化膜颜色均匀性的重要因素。

 

硫酸阳极化溶液温度必须严格控制,根据不同的铝合金选用不同的温度范围,对于硬铝、超硬铝及纯铝等来说,最佳的溶液温度范围为15℃~25℃;对于防锈铝合金零件来说,最佳的温度范围为l0℃~l8℃。在硫酸阳极氧化工艺中,需采用压缩空气搅拌,并配备制冷装置。在无冷却装置的情况下,可在硫酸溶液中加入1.5%~2%的丙三醇或草酸、乳酸等有机羧酸,可使阳极氧化溶浓温度超过30℃而避免或减少氧化膜的疏松或粉化。一些氧化工艺和生产实跋证明,在硫酸阳极氧化溶液中加入适量的有机羧酸或丙三醇可有效减少反应热效应的影响,在不降低氧化膜厚度和硬度的条件下提高阳极氧化溶液的温度允许上限。另外,控制氧化溶液温度恒定的条件下,也要注意有效控制阳极电流密度。

 

4.严格控制阳极电流密度

 

随着阳极电流密度的升高,氧化膜层的颜色逐渐变深,膜层的厚度先变厚而后又变薄。其原因是随着阳极电流密度的增加,氧化膜孔隙加大,易于着色;而随着阳极电流密度减小,膜的生长速度减小,膜层致密,所以随着电流密度的升高,膜层颜色逐渐变深。在其他条件不变的情况下,提高阳极电流密度,氧化膜的生成速度较快,可缩短阳极氧化时间,膜层的化学溶解量减少,得到的膜层较硬,耐磨性好。但阳极电流密度不能升得太高,否则会因焦耳热的影响,膜孔内热效应加大,局部温升显著,加速了氧化膜的溶解,成膜速度反而下降,也容易造成零件的烧蚀。也就是说阳极电流密度提高,在一定范围内可加速氧化成膜的生成速度,但到一定值后,成膜速度反而降低。阳极电流密度的大小直接影响膜层颜色的均匀性,根据不同的铝合金选用不同的阳极电流密度,对各种纯铝、包铝零件,最佳电流密度为1.0A/dm2~1.5A/dm2;对铸铝、锻铝零件,最佳电流密度为1.5A/dm2~2.5A/dm2;对硬铝及超硬铅零件,最佳电流密度为l.3A/dm2~1.5A/dm2;对防锈铝合金零件,最佳电流密度为1.0A/dm2~1.3A/dm2。

 

5.确保阳极氧化过程的用水品质

 

硫酸阳极氧化溶液所使用的水质及溶液中的有害杂质含量必须严格控制。配制硫酸阳极氧化溶液必须采用软化水、去离子水或蒸馏水,坚决不能用含有Ca2+、Mg2+、SiO32-及Cl一的自来水。一般情况下,水中的Cl-浓度达到25mg/L时就会对铝合金的阳极氧化处理产生有害影响。Cl-离子(包括其他卤族元素)可破坏氧化膜的生成,甚至根本形成不了氧化膜。硫酸阳极化清洗用水及封闭用水也应采用去离子水或蒸馏水,要求水中[Cl一]≤15mg/L,总矿物质≤50mg/L。

 

6.加强工序间的防护

 

一般认为铝合金是不会"生锈"的,其实不然,铝合金由于含有多种合金元素,如介质中含有Cl-等活性阴离子,加之由于生产批量大,生产周期长,在此期间如不采取有效的防护措施,在局部表面出现腐蚀点并迅速向深处发展。在碱腐蚀后比较明显,最终导致氧化膜表面出现小"麻点"或小"凹坑"。为避免小孔腐蚀的发生,首先,在工序间,特别是精加工完后,零件表面必须涂防锈油;其次,零件在周转过程中,严禁用"裸手"拿取,同时要注意"防锈"和"防潮"。

 

7.对于特殊铝合金零件进行二次热处理

 

对于部分因为材料热处理不均匀的特殊零件,根据生产实际,在粗加工完成以后,增加二次热处理(淬火+人工时效)工序,而且在淬火时严格控制淬火转移时间及淬火冷却速度。这两个因素对淬火材料力学性能和耐蚀性影响相当大。一般要求超硬铝合金的转移时间不超过15s,否则将因材料温度降低致使Tη等强化相大量自晶内析出而降低淬火后的强度及耐蚀性。淬火冷却速度的影响与转移时间的影响程度同样巨大,淬火时的冷却速度,必须确保过饱和固溶体被固定下来,它对合金的性能起决定性作用。为确保淬火后得到应有的力学性能和耐腐蚀性能,必须采取很高的淬火冷却速度。针对于不同的铝合金,有不同的淬火冷却速度要求,一般要求超硬铝合金淬火冷却速度不得低于170℃/s,否则得不到理想的淬火效果。

 

8.定期对电解液中的杂质进行清理

 

阳极氧化溶液中主要的杂质是Al3+、Cu2+、Fe2+、Cl-、F-、NO3-等,当C1-、F-、NO3-等阴离子杂质含量高时,阳极氧化膜的孔隙率会大大增加,氧化表面变得粗糙和疏松,这些杂质在氧化溶液中的允许含量为[Cl一]<0.059/L,[F一]<0.019/L等。氧化溶液中的Al3+主要来自工件在氧化过程中的溶解,当溶液中[A13+]>209/L时,氧化膜表面呈现白点或块状白斑,氧化膜的吸附性能下降,造成染色困难。当[Cu2+]含量达到0.029/L时,氧化膜会出现暗色条纹和黑色斑点。要排除Cu2+,可以通直流电,阳极电流密度控制在0.1A/dm2~0.2A/dm2左右,溶液中的金属铜便在阴极上析出。当Cu2+含量很高时,可先用铅板直接放人电解液中,这时铅板上会很快置换上一层金属铜。用此法可去除含量较高的铜离子,而后再通电处理,可以彻底去除Cu2+。如杂质含量超过允许值,可部分或全部更换阳极氧化溶液。

 

铝及铝合金硫酸阳极氧化工艺故障分析与处理:故障现象与排除措施

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