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铝和铝合金硫酸阳极氧化——常见的故障及其解决方法 ——吉林东光奥威汽车制动系统有限公司 表面处理分厂赵洪凯 [摘 要] 介绍了硫酸阳极氧化过程中的一些常见故障现象，分析了故障产生的原因，提出了排除方法和所采取的相应措施。 [主题词] 铝 铝合金 硫酸阳极氧化 故障 对策
1 引 言
铝和铝合金硫酸阳极氧化膜层具有较高的吸附能力，膜层厚度3~15μm，因为相对其它阳极氧化来说，其生产成本低，操作简单，所以硫酸阳极氧化在生产中得到广泛应用。本人所在单位就是采用的硫酸氧化工艺。本文中，本人根据十多年的生产实践经验，总结了硫酸阳极氧化工艺实践中常见的若干故障现象，分析研究了所采取的对策，不断改进和完善工艺操作，提高铝和铝合金硫酸阳极氧化膜层的质量。
2 铝和铝合金硫酸阳极氧化概况
将铝和铝合金材料作为阳极，在15%~20%的硫酸溶液中进行电解，可以在阳极表面生成结晶致密又结实的氧化膜层。这种膜层的抗腐蚀防护能力主要取决于铝合金成分、膜层厚度和孔隙度。这往往和硫酸阳极氧化的工艺条件，如电解液温度、电流密度、水质和阳极氧化后的封闭处理等密切相关。铝和铝合金在硫酸阳极氧化过程中，氧化膜的声称和溶解是同时进行的，一方面是H2O的放电形成的新生态[O]，氧对铝的氧化产生Al2O3;另一方面，是Al2O3在硫酸中溶解。反应式：
H2O [O]+2H++2e
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2Al+3[O] Al2O3 Al2O3+ H2SO4 Al3++ H2O
正常情况下，氧化膜的形成速度大于溶解速度。阳极氧化膜分为两层，既由近基体的薄而致密的膜和由表层的多孔膜所形成。
膜层的多孔性有利于阳极氧化后的填充封闭处理，可以使氧化膜进一步提高抗腐蚀和防护装饰性能。
3 硫酸阳极氧化若干故障现象及分析
1）零件经过硫酸阳极氧化处理后，发生局部无氧化膜层，呈现出肉眼可以看见的黑斑或条纹，氧化膜有鼓瘤或孔穴现象。这一类故障发生的一般很少，但在生产中也应该引起注意，予以关注，以防故障的发生。
上述故障原因多于铝和铝合金的成分、组织以及金属相的均匀性等有关，或者与电解液中所溶解的某种金属离子或悬浮杂质等有关。
铝和铝合金的化学成分、组织和金属相的均匀性会影响氧化膜的生成和性能。纯铝或铝镁合金的氧化膜较易生成，膜层的质量也较好；而铝硅合金，或者含铜量较高的铝合金，氧化膜生成困难，而且膜层发暗发灰，光泽不好。如果表面产生金属相的不均匀、组织偏析、微杂质偏析，或者热处理不当造成的各部分组织不均匀等，则容易产生选择性氧化或者选择性溶解。如果铝合金中局部硅含量偏析，则往往造成局部无氧化膜或呈现黑色斑点、条纹，或者局部选择性溶解并产生孔穴等。另外，如果硫酸电解液中悬浮杂质、尘埃、铜铁等金属杂质离子含量过高，则会产生氧化膜出现黑斑或黑条纹影响氧化膜的抗蚀防护性能。
2）同一镀槽处理的阳极氧化零件，有的无氧化膜或膜层轻薄或不完整，有的在夹具和零件接触部位有烧损溶蚀现象。在硫酸阳极氧化工艺
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实践中此类疵病发生的很多。
由于铝件阳极氧化膜的绝缘性很好，所以铝合金零件在阳极氧化前必须牢固的装挂在通用或专用夹具上，以确保良好的导电性。导电棒应选用铜和铜合金材料，并要保证足够接触面积。夹具与零件接触处，既要保证电流自由通过，又要尽可能的减少夹具与零件之间的接触印痕。接触面积过小，电流密度太大，会产生过热，容易烧损零件和夹具。显然，无氧化膜或膜层不完整等 ，主要是由于夹具和零件接触不好，导电不良，或者因为夹具上氧化膜未彻底清除所致。
3）硫酸阳极氧化后，氧化膜疏松粉化，特别是填充封闭后，零件表面出现严重粉层。
这一类疵病多发生于夏季，槽液温度高，降温不好，尤其是没有冷却装置的硫酸阳极氧化槽，在处理一二槽后，疏松粉化现象就会开始，从而明显降低氧化膜质量。
因为阳极氧化膜层电阻很大，在阳极氧化过程中会产生大量的焦耳热，槽电压越高，产生的热越大，结果导致电解液温度不断上升。因此，在阳极氧化中必须采用搅拌和冷却降温设备，使电解液温度保持在一定的温度。一般情况温度控制在13~26℃之间，在此温度范围内，氧化膜质量最佳。如果温度超过30℃，就会出现粉化现象，氧化膜质量十分低劣，严重时出现“烧焦”现象。我们原来由于对温度控制不好，经常出现零件粉化或烧焦现象，根据长期的生产经验，我们采用温度自动控制，现在我们将温度控制在18~22℃之间，这之后，基本杜绝了零件粉化或烧焦现象。
另外，当温度恒定时，阳极氧化电流密度也必须受到一定的控制，因为阳极氧化电流过高，温度升高过快，氧化膜也容易出现疏松粉化或
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者砂粒状，对膜层质量不利。
4）①在阳极氧化过程中，不可避免的会出现断电现象，在这种情况时也容易出现以下现象。因为断电，中途将零件从氧化槽中取出，清洗后放在清水槽中，过1~2小时后发现零件表面出现点状腐蚀，个别部位尤其是朝上一方黑色腐蚀点非常显著，有些部位还粘附有悬浮状物。②在阳极氧化后，将零件取出，发现零件表面有轻微点状黑斑，偶尔有针状腐蚀点。
以上两种情况，经过分析，得出以下结论：这两种情况均发生在夏季，气温非常高，高温高湿，清洗槽中硫酸含量高，水中含杂质较多，自来水中含Cl-含量高（0.35~0.4g/l），这些因素就是导致零件发生点状腐蚀的主要原因。
4 故障的预防
1）对不同的铝合金要采用不同的处理方法，例如：对含硅的铝合金（特别是铸铝）可经过含1%~5%的氢氟酸和硝酸混合溶液侵蚀，这样即可以保持良好活化零件表面，确保阳极氧化膜的质量。
不同材质的铝合金、裸铝和纯铝生产的零件、或者大小规格不同的铝和铝合金零件，一般情况下不能在同一个槽中进行氧化处理。
2）装挂夹具材料必须确保导电良好，一般选用硬铝合金棒、板材，确保有一定的弹性和强度，挂钩 宜选用铜和铜合金材料。如果条件许可，可以选用金属钛或钛合金做夹具，既可以保证导电良好，又可避免发生铝和铝合金挂具由于氧化膜处理不干净导致的零件阳极氧化膜层不合格。
已经使用过的铝和铝合金制作的专用或通用夹具再次使用时，必须
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退除掉其表面氧化膜层，确保良好接触。
工夹具既要保证足够的导电接触面积，又要尽量减少夹具印痕，如果接触面太小，会导致烧毁溶蚀阳极氧化零件。
3）硫酸阳极氧化溶液温度必须严格控制，最佳温度范围在18~22℃。硫酸阳极氧化过程中，需要用压缩空气进行搅拌，并配备制冷装置。
如果没有制冷装置，可以在硫酸电解液中加入1.5%~2%的甘油或草酸，使溶液的允许温度提高到35℃，可以避免或减少氧化膜的疏松或粉化。
4）硫酸阳极氧化溶液所使用的水质以及电解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不宜采用自来水，尤其是含镁、钙、二氧化硅及Cl-含量高的地下水（我厂生产所使用的水即为地下水）。一般情况下，水中的Cl-含量达到25mg/l时，就会对铝和铝合金材料的阳极氧化处理产生不良的影响。Cl-（包括其它卤族元素）可破坏阳极氧化膜的生成，甚至根本形成不了氧化膜。硫酸阳极氧化宜采用软化水或蒸馏水，溶液中Cl-含量≦15mg/l，总矿物质≦50mg/l。
硫酸溶液在阳极氧化过程中，会产生油污泡沫及悬浮物杂质，应定期排除。硫酸阳极氧化溶液中常见的其它有害杂质还有：Cu2+、Fe3+、Al3+等，其中Cu2+﹤0.02g/l；Al3+﹤25g/l等，如果杂质含量偏高，可部分或全部更换硫酸溶液，以保证阳极氧化膜的质量。
5 结束语
铝和铝合金硫酸阳极氧化处理是广泛应用的抗蚀防护装饰处理工艺，只要严格工艺条件，硫酸阳极氧化膜的质量是可以保障的。
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参考文献
1.李鑫庆、陈迪勤、余静琴编.化学转化膜技术与应用[M].机械工业出版社，2005，440
该论文已经发表于《材料保护》2012年第12期 经验再现栏目
作 者：赵洪凯 职 称：高级工程师
工作单位：吉林东光奥威汽车制动系统有限公司表面处理分厂 通讯地址：吉林省长春市朝阳区卫星路副16号 邮 编：130012
联系电话：13089112053 / 13756322056 电子邮箱:393439169@qq.com
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