阳极氧化铝板如何获得高硬度和厚膜?铝合金阳极氧化后的优点有哪些?

阳极氧化铝板如何获得高硬度和厚膜?铝合金阳极氧化后的优点有哪些?

产品描述

前言

为了在常规硬质阳极氧化过程中获得高硬度和厚膜,必须降低镀液温度以降低氧化膜的溶解度;需要一套完整的制冷系统来降低储罐液体温度。此外,低温法的槽电压高,容易烧伤工件[1]。在硬氧化处理工程中,为了实现节材、节电、优质、高效,电源的选择非常重要。通过理论和实践的比较,脉冲电源已成为铝及铝合金硬质阳极氧化的理想电源。它可以在铝表面生成一层坚硬的氧化膜,该氧化膜具有较少的裂纹,并且具有良好的耐腐蚀性和耐磨性[2]。

使用直流叠加脉冲法,由于电流恢复效应,氧化膜的过热、燃烧和溶解趋势减弱,从而排出锐角处积聚的热量,并且材料的温度整体平衡,从而降低膜的粗糙度,从而削弱锐角效应[3]。

l?实验

1.1? 材料和仪器

底座采用6061铝合金,尺寸为100 mm×100mm×2 mm;各组分的质量分数为:SiO.4%~0.8%,Fe 0.726,Cu O.15%~0.40%,mno 15?%,镁0.8%~1.2%,铬0.04%~0.35%,锌0.25%,钛0.15%,其他0.15%,铝余量。

使用的仪器包括300fsv2-f半封闭制冷压缩机、GBA阳极氧化直流电源、jh2c晶管恒电位脉冲电源、tt260涂层测厚仪、mpx-2000盘销磨损试验机、JA1003电子天平(精度1 mg)、hxd-1000tc显微硬度计、xjg-05大型金相显微镜。

1.2工艺流程

机械处理-→ 除油-→ 碱腐蚀-→ 熄灯-→ 抛光-→ 阳极氧化-→ 着色-→ 密封

1.3实验电源

本实验使用的电源为直流叠加脉冲电源。脉冲电源和直流电源是两个独立的电源,直流电源是常用的晶闸管整流设备;脉冲电源的占空比从0%到100%可调,频率从1 Hz到200 Hz可调,输出电流可以满足实验需要。电源需要输出方波脉冲,其电压波形如图1所示。

1.4? 正交试验设计

本实验的工艺组为:h2s04200 g/l,草酸10 g/l,甘油5 ml/l,nis0410 g/l,20℃。通过正交实验研究了占空比、电流密度和氧化时间对氧化膜性能的影响。

2.结果和讨论

2.1正交试验

正交实验结果表明,电流密度对氧化膜厚度的影响最大,其次是氧化时间,最后是占空比;占空比对氧化膜的显微硬度影响最大,其次是氧化时间,电流密度对其影响最小;电流密度对耐磨性的影响最大,氧化时间对其有一定影响,占空比对其没有影响。

2.2? 占空比对氧化膜性能的影响

图2显示了占空比对膜厚度的影响。

从图2可以看出,随着占空比的增加,氧化膜的厚度趋于减小。这是因为随着占空比的增加,成膜过程中累积的焦耳热耗散效率降低,导致成膜速率和膜厚度降低;当占空比大于70%时,在成膜过程中积累的焦耳热不能及时损失,导致氧化膜松动。当膜最外层上的松散层不能及时溶解时,开始形成新的膜层,导致膜厚度增加。

图3显示了占空比对显微硬度的影响。从图3可以看出,氧化膜的显微硬度随着占空比的增加而增加。当占空比大于70%时,显微硬度急剧下降。这是因为在一定的占空比内,可以及时损失成膜过程中的焦耳热,可以有效溶解氧化膜外层的疏松层,提高氧化膜的成膜致密性,从而提高硬度;当占空比过高时,成膜过程中的热量无法及时损失,导致氧化膜松动,因此显微硬度降低。

图4显示了占空比对磨损的影响。从图4可以看出,随着占空比的增加,磨损量趋于减少,即耐磨性提高,因为成膜过程中的焦耳热损失相对及时,生成的氧化膜致密;当占空比超过70%时,氧化膜的磨损量变化不大,因为此时焦耳散热效果较差,但由于氧化膜的厚度显著增加,最终表明其对磨损量影响不大。

2.3? 电流密度对氧化膜性能的影响

电流密度对氧化膜性能的影响如图5、6和7所示。

随着电流密度的增加,氧化膜的显微硬度逐渐降低。这是因为当电解液的电导率良好时,选择较大的电流密度有利于薄膜的形成,但过大的电流密度会增加电场的增溶作用,促进薄膜的化学溶解,因此生成的氧化膜的致密性会降低,最后氧化膜的硬度会降低。氧化膜的耐磨性与氧化膜厚度和硬度直接相关。氧化膜越厚,氧化膜的耐磨性越好,即磨损量减少;在一定范围内,氧化膜的耐磨性随硬度的增加而增加。在本实验中,膜层厚度的影响大于硬度的影响,因此膜层厚度对氧化膜耐磨性的影响占主导地位,即随着电流密度的增加,膜层厚度显著增加,磨损量逐渐减少,耐磨性提高。从以上分析还可以看出,当电流密度较低时,脉冲电源并不显示优越性,而当电流密度较高时,脉冲电源显示出非常明显的优势。

2.4氧化时间对氧化膜性能的影响

氧化时间是阳极氧化的关键因素。氧化时间对氧化膜性能的影响如图8、9和10所示。从图8可以看出,随着氧化时间的延长,膜厚度几乎以正比例增加。

从图9可以看出,在初始阶段,显微硬度几乎不变,并且随着氧化时间的不断延长,氧化膜的溶解继续加强,从而影响氧化膜的致密性,导致氧化膜的硬度降低。

从图10可以看出,磨损量随着氧化时间的延长而逐渐减少。这是因为氧化膜的耐磨性受膜厚度的影响很大,并且膜厚度具有良好的耐磨性。

2.5? 氧化膜的表面形貌

常温直流叠加脉冲硬质阳极氧化膜的表面形貌如图11所示。从图11可以看出,氧化膜表面的颗粒较小且分布均匀。这是因为使用了直流叠加脉冲电源的不连续电流。当脉冲电流发生时,氧化膜的成膜速率远大于溶解速率,因此氧化膜在短时间内快速形成,导致氧化膜表面粗糙;当脉冲电流被中断时,氧化膜的成膜速率小于溶解速率,使得表面上的粗糙氧化膜可以溶解形成致密氧化膜,并且氧化膜释放的焦耳热可以及时消散,使得电解液的整体温差小,生成的氧化膜质量好。从图中我们还可以清楚地看到材料的挤出痕迹(使用的原材料是挤压板),即阳极氧化不仅提高了原材料的使用性能,而且保留了原材料的宏观形貌。

3.结论

实验分析表明,电流密度是影响脉冲阳极氧化的重要因素。当电流密度较低时,成膜速率较低;当电流密度较高时,成膜速率大大提高。分析了各种影响因素对氧化膜性能的影响。结果表明,在室温下,当占空比为50%、电流密度为5a/dm2、氧化时间为30min时,氧化膜的综合性能较好,膜厚大于30μm,显微硬度大于3500MPa,耐磨性良好。


6063铝板型材经阳极氧化后具有良好的耐腐蚀性和装饰性能。近年来,随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,铝合金门窗和铝合金幕墙的使用越来越普及。然而,许多铝合金在使用一段时间后,表面存在不同的腐蚀缺陷,其中点蚀较为常见,严重影响了铝型材的性能和装饰效果。为了合理提高铝型材的表面质量,达到控制表面斑点腐蚀的目的,有必要对斑点缺陷进行深入细致的分析。本文以6063铝板阳极氧化后表面的点蚀为研究对象,分析了点蚀的本质、成因和形成机理,探讨了点蚀的关键因素。

1、点蚀本质分析

从所用6063铝板型材的成分可以看出,为了确保Mg元素充分形成强化相Mg2Si,在制备合金成分时人为地剩余适量的Si元素。因为随着硅含量的增加,合金的晶粒变得更细,热处理效果更好。另一方面,过量的硅也有负面影响,这会降低合金的塑性和耐腐蚀性。结果表明,过量的Si不仅可以形成游离Si相,还可以与基体α相(al12fe2si)和β相(al9fe3si2)形成,因此在铝合金α相(al12fe2si)β阴极相颗粒中存在游离Si相,如al9fe3si2相和阳极相Mg2Si颗粒。α相和β对合金的腐蚀性能有很大影响,尤其β相可以显著降低合金的腐蚀性能。现场残留物主要由游离硅相和alfesi相组成。同时,发现氯也吸附在残渣上,这表明氯参与了腐蚀过程。腐蚀区的锌含量远高于基体中的锌含量,表明合金中的杂质元素锌也参与了腐蚀过程。

在阳极氧化过程中,阳极相Mg2Si是合金的点蚀源。在阳极氧化和碱洗过程中,Mg2Si颗粒优先溶解形成腐蚀坑,其中镁溶解在溶液中,硅残留在铝合金上。当蚀刻坑聚集在晶粒上时,晶粒的颜色将变暗。在硫酸中和过程中,硅不易去除,因此点蚀坑底部的硅含量高于其他区域。

2点蚀原因分析

影响点蚀的主要因素是预处理过程中的碱洗温度和时间,以及合金成分中锌、铁、硅元素的含量和合金的挤压状态。在众多因素中,挤压状态起着关键作用,它与锌、铁和硅等元素的分布有关,这些元素对腐蚀性能有很大影响,以及金属间化合物等颗粒的沉淀位置。在较粗的挤压边缘区域,点蚀分布具有明显的方向性,因为该区域在挤压过程中阻力较大,应力主要集中在此处,金属晶格严重扭曲,成为局部高自由能区域。在随后的再结晶过程中,首选形核。为了降低界面能并处于稳定状态,此处的晶粒不仅异常生长,而且Mg2Si阳极相、游离硅、FeSiAl Feal3和其他阴极相优先沉淀,为随后的点蚀创造条件。

由于上述原因,在析出游离Si、FeSiAl、feal3和其他金属化合物的晶界附近,存在硅铁元素的贫瘠区域。该区域几乎为纯铝,电位为负。它与金属间化合物(阴极)形成一个微电池。在腐蚀介质的作用下,微电池中阴极相(如游离Si、FeSiAl、feal3)周围的Si和Fe贫区(阳极相)优先溶解,Mg2Si也溶解,结果阳极相周围的Al溶解形成有残渣的腐蚀坑,而阳极相的溶解形成无残渣的腐蚀坑。当腐蚀条件继续恶化(如温度升高、碱洗时间长等)时,基体铝继续溶解,腐蚀坑向深部方向发展。因此,表面形貌显示为一些有残留物的腐蚀坑和一些没有残留物的腐蚀坑,这构成了上述点蚀。

3、点蚀形成机理分析

6063铝板是一种Al-Mg-Si合金,Mg2Si是唯一的时效强化相。为了提高合金的强度,生产过程中硅元素的含量往往过高,过量的硅会形成游离硅和FeSiAl相颗粒。这些颗粒挤压不当,热处理不标准。它可能导致晶界处与feal3和Mg2Si颗粒发生偏析(或偏析),这构成点蚀源。根据腐蚀性理论,阴极颗粒周围的阳极铝将优先受到腐蚀,生成的al3+将扩散到阴极,而溶液中的oh-将扩散到阳极。最后,白色絮状Al(OH)3将沉淀在阴极和阳极的界面上,干燥后在铝表面形成白点。这就是所谓的点蚀。相应的化学方程式如下:

铝→ al3++3e(阳极)

Al3++3oh-→ Al(OH)3↓ (阴极)

4有源元件的影响

4.1锌元素的加速度

铝合金中溶解的锌以“溶解-再沉积”的方式加速晶粒腐蚀。沉积在合金表面的锌或铁等阴极颗粒以及高电位去溶剂FeSiAl和游离硅可以发挥有效的阴极作用,加速溶解氧的还原过程,促进腐蚀的不断扩大和加深。

在碱洗过程中,随着铝的溶解,锌元素以Zn(OH)42-和Zn(OH)-3的形式溶解在碱性溶液中。由于Zn(-0.76v)的电位比al(-1.67v)的电位正,当碱性溶液中的锌离子浓度增加到一定值时,锌会选择性地沉积在腐蚀坑中的残渣上,因此会出现高锌元素的异常现象。另一方面,由于锌和铝之间的电位差很大,微电池中的腐蚀电流很大,阴极颗粒Fe和Si贫瘠区域(基本上是纯铝)很快溶解。这种腐蚀最终表现为点蚀。

4.2cl-激活

作为一种外部因素,氯对点蚀非常敏感,可以诱导和加剧点蚀。结果表明,脱脂酸中的氯离子会吸附在钝化膜的缺陷处,穿透钝化膜吸附在基体上。此处的铝元素由于活化而迅速溶解,因此钝化膜被破坏,形成原电池结构。在酸性介质的作用下,局部腐蚀电流较大。此时,cl-和溶解的a13+发生以下复杂反应:al3++cl-+h2o→ alohcl++h+,这进一步增强了溶液的酸性,恶化了腐蚀条件。当cl-浓度增加时,络合反应向右进行,钝化膜上的活性点将大大增加,在随后的碱洗过程中优先溶解,导致更严重的点蚀。

4.3 pH值的提升

当洗涤水的pH值小于2或大于4时,很少发生点蚀。当颜色较暗时,洗涤槽中的pH值对颗粒从灰色变为黑色起到一定作用。

当水洗水的pH值大于4时,铝型材表面形成的钝化膜相对完整致密,h+、cl-的吸附、活化和破坏能力大大减弱,因此型材几乎没有腐蚀;当pH<2时,铝型材表面处于主动溶解状态,不形成钝化膜,不会出现点蚀。

5结论

6063铝型材的点蚀是由于Mg2Si在铝合金阳极相中的偏析和粗化引起的,合金中的杂质元素Zn以及溶液中的cl-和pH值加速了点蚀的发生和发展。合金中镁硅质量比应适当调整,硅含量不宜过高。应合理安排老化系统,防止Mg2Si颗粒偏析,以免影响铝型材的腐蚀性能。在处理过程中,控制合金中的微量元素锌以及溶液的cl浓度和pH值,以减少活性元素的负面影响。


微信扫描联系我们

联系人:陈经理

电话:15157425972

邮件:epsgrc@139.com

地址:临安区锦北街道西墅街136号