《材料科学概论》结业论文
铝合金表面处理工艺以及性能研究
作者姓名：徐健 班级：材料126 学号：129024386
论文摘要：综述了近几年铝合金表面处理工艺以及改进后的各种优良性能取得的研究进展。重点介绍了阳极氧化和等离子体微弧氧化、化学转化膜、激光熔覆等方法在铝合金表面制备膜层的原理、特点及研究成果，并对等离子微弧氧化技术提出了展望。
论文关键词：铝合金；转化膜；处理工艺；展望
一、 前言
铝合金广泛应用于装饰、包装、建筑、运输、电子、航空、航天、兵器等各行各业。用于航空航天用铝材用于制作飞机蒙皮、机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭锻环、宇宙飞船壁板等。交通运输用铝材用于汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材。包装用铝材 全铝易拉罐制罐料主要以薄板与箔材的形式作为金属包装材料,制成罐、盖、瓶、桶、包装箔。广泛用于饮料、食品、化妆品、药品、香烟、工业产品等包装。但是铝也有自身的缺点，耐腐蚀性差就是其中的缺点之一。虽然铝合金表面在空气中能生成一层致密而坚硬的氧化膜，但是这层天然的氧化膜较薄（厚度为1~3nm），在空气中特别是在潮湿的空气中，容易腐蚀，尤其是在Cl-存在的情况下，更容易发生各种形式的腐蚀如电腐蚀、缝隙腐蚀、丝状腐蚀等，并且这层自然氧化膜与有机涂层结合力低，铝型材料在使用过程中容易受到腐蚀，因此铝型材料在涂装前必须经过有效的反腐处理。因此，无论是从节约资源还是减少经济损失来看，铝合金的反腐已经是一个刻不容缓的课题。
Abstract
aluminum alloy surface treatment technology in recent years were reviewed, and the improved research progress was made in all kinds of excellent properties. Focus on anodic oxidation and plasma micro-arc oxidation method in preparation of aluminum alloy surface membrane layer of the principle, characteristics and research results, and put forward the prospect of plasma micro-arc oxidation technology。Aluminum alloy is widely used in decoration, packaging, construction, transportation, electronic, aviation, spaceflight, weapons and so on all walks of life. For aerospace aluminum used in making aircraft skin, body frame, truss, rotor, propeller, fuel tank, wall plate and the landing gear strut, and the rockets forging ring, spacecraft wall plate, etc. With aluminum used in automobile transportation, subway, high-speed passenger vehicles, railway passenger car body structure of the material, car doors and Windows, shelves, automobile engine parts, air conditioner, radiator, panels, wheel hub and ship material. Packing aluminum aluminum cans can all materials mainly in the form of sheet and foil as packaging materials, metal cans, lid, bottles, barrels, foil packing. Widely used in beverage, food, cosmetics, medicines, cigarettes, industrial products such as packaging. But aluminum also has its own disadvantages; poor corrosion resistance is one of the disadvantages. Although can generate a
layer of aluminum alloy surface in air density and solid oxide film, but this natural with thin oxide film (thickness of 1 ~ 3 nm), especially in the moist air in the air, easy to corrosion, especially in the presence of Cl -, are more likely to happen various forms of corrosion, such as electric corrosion, crevice corrosion, misinform corrosion, etc., and this natural oxide film layer with the organic coating binding force is low, aluminum material susceptible to corrosion in the process of using, so the aluminum material must be treated with effective anti-corruption before coating. Therefore, whether from the point of saving resources and reducing economic losses, anti-corruption is aluminum alloy。
二、铝合金表面处理工艺
1 阳极氧化
1．1 硫酸阳极氧化法的制法是将金属或合金的制件作为阳极，采用
铝合金阳极氧化方法有硫酸阳极氧化法、草酸法、铬酸法、磷酸法、有机酸
法和混合酸法等。
电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能，如表面着色，提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度，保护金属表面等。铝阳极氧化，将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极，在特定条件和外加电流作用下，进行电解。阳极的铝或其合金氧化 ，表面上形成氧化铝薄层 ，其厚度为5～20微米 ，硬质阳极氧化膜可达60～200微米 。阳极氧化后的铝或其合金，提高了其硬度和耐磨性，可达250～500千克/平方毫米，良好的耐热性 ，硬质阳极氧化膜熔点高达2320K ，优良的绝缘性 ，耐击穿电压高达2000V ，增强了抗腐蚀性能 ，在ω=0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。氧化膜薄层中具有大量的微孔，可吸附各种润滑剂，适合制造发动机气缸或其他耐磨零件；膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。硫酸阳极氧化法制得的氧化膜具有透明度高耐腐蚀和耐磨性优异、硬度高并且容易着色、颜色鲜艳、成本低，工艺简单对环境污染少等特点。
1．2 草酸阳极氧化又称绝缘阳极氧化，在直流电源作用下进行阳极氧
化时，所获得氧化膜的硬度和抗蚀性与硫酸阳极氧化所获得的氧化膜相似。由于草酸溶液对铝或铝合金及其氧化膜的溶解度都小于硫酸溶液，所以能获得较厚的膜层，氧化膜的防护和装饰性能也较好。草酸阳极氧化由无孔的致密内层和多孔的外层组成，膜层硬度高，均匀性好，孔隙率低(约10％左右)，膜层厚度随工艺配方不同而有所差异，通常在10～20μm之间，绝缘电压高，绝缘性能稳定。因此通过此法制得的电气产品上是很有发展前途的。 草酸阳极氧化也可采用交流电进行氧化，该法所获得的氧化膜较软，且弹性和绝缘性也很好，适合纯铝线绕组的绝缘。广泛用于航空航天领域以及电器产业 ，氧化膜具有较高的耐氯离子的能力。可用于多种铝合金，包括硬铝和锻铝；并且在草酸溶液里面加入甲酸，
可避免产生细小的白点，但是该方法耗能大，污染重。
1．3 铬酸阳极氧化法主要用于光洁度高的精密零件的加工。获得的氧
化膜较厚(2～5μm)。膜层质软、韧性好，能保持零件原有的精度和光洁度，基本上不会降低原材料的疲劳强度。铬酸氧化液还可以检查材料的晶粒度、纤维方向裂纹等冶金缺陷。由于对铝制品的溶解速度较低，所以在航空工业中常用于发动机部分强度和精度较高的铝件的氧化，如转子叶片衬套、机轮等，也可能用于其他精密零件铝制品的氧化处理。由于铬酸的水处理要求很严格，因此这一方法的应用受一定限制。铬酸法阳极氧化配方及工艺如下铬酸(Cr03) 5％～l0％、电压 40V、电流密度 0．3～1A／dm2、温度 30～45℃。采用铬酸法阳极氧化时，宜用蒸馏水配制，氯离子含量一定要严格控制在0．02％以下。铝合金铬酸阳极氧化法是在六价铬的酸性溶液里进行的氧化处理，该方法可以在制得一层弹性较好的氧化膜层。铝合金铬酸阳极氧化法得到的膜层与有机涂层结合力良好，通常用作涂料底层，但是该方法同样是耗能大、污染重。
阳极氧化膜具有蜂窝状结构，膜层的孔隙率常常由于电解液的溶解能力和膜层的生长速率不同而不同。氧化膜的硬度大约在196-490Hv[13]，厚度一般为几个微米到几十个微米。 阳极氧化膜组织结构受电解液类型、工艺参量及氧化前处理等多种因素决定。近年来对硫酸法氧化液中添加卤化胺类-金属（半金属）卤化物的络合物。可提高铝合金表面氧化层的沉积速度，并可使用更高的阳极电流密度而不烧损氧化膜，所得到的氧化膜均匀致密，有更好的光泽性、耐磨性和抗腐蚀性，且易于着色。阳极氧化不仅改进和提高了铝合金表面性能，如耐磨性、耐蚀性、表面硬度等，而且可以赋予表面各种颜色，大大提高铝合金的装饰性。但阳极氧化膜上有时会出现色泽不均、黑斑点、烧蚀、表面粗糙、流痕、膜厚不均匀以及剥落等缺陷。按照外观形态，可将阳极氧化表面缺陷分成三大类：1.条纹（带）状缺陷；2.斑点状缺陷；3.不均匀（不正常）表面[17]。这些缺陷的产生与材质、预处理、阳极氧化、后处理以及封孔、着色过程的工艺参数和操作有着密切关系。
2 激光熔覆
激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基体表面上放置被选择的涂层
材料经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极