工艺参数对铝型材硬质阳极氧化膜生成的影响

工艺参数对铝型材硬质阳极氧化膜生成的影响

硬质阳极氧化膜的生成过程是电化学反应和化学反应同时进行的结果;随着致密氧化膜的生成,氧化电压急剧上升,同时伴随大量热量的产生,从而加速氧化膜的溶解;因此需要严格控制槽液温度和氧化电压;有研究表明,阳极氧化膜的生长速度及性能主要是由电解液成分与浓度、电压、电流密度、温度及氧化时间等因素,通过影响膜的生成与化学溶解的动态平衡过程综合决定的;此外,还应考虑搅拌方式和速度、挂具、水质、辅助电极材料、面积及电极间距、材料成分,以及退火、抛光等预处理工艺对氧化膜性能的影响;因此随着现代工业的发展,为提高铝型材的表面防护水平,同时结合当前高效节能生产的时代要求,在现有硬质阳极氧化技术基础上,大力发展具有高效节能特点、膜层性能优异的铝型材硬质阳极氧化技术不仅十分必要,而且意义重大;国内外研究者主要从前处理工艺、槽液及添加剂、搅拌方式与挂具、电源优化及膜层后处理等方面进行了广泛的研究;

铝型材工作台

1. 前处理工艺

确定合适的前处理工艺是保证阳极氧化膜质量的有力措施;选择前处理工艺需要考虑零件的加工情况、合金成分、污染程度及产品的要求等,此外还应关注温度、时间、前处理材料种类等实践操作因素的影响;通常铝型材氧化前处理主要包括脱脂、碱蚀、出光和水洗四部分;当前为实现常温高效除油,采用在丙酮溶液中超声波清洗技术,研制并选用低温脱脂剂;鉴于碱蚀时生成氢氧化铝沉淀,难以除去,因此常在碱蚀溶液中加入少量络合添加剂,如葡萄糖酸钠、柠檬酸钠等以抑制氢氧化铝沉淀的生成,或使生成的氢氧化铝沉淀疏松不结块,易于清除;另外水洗部分最容易被忽视;由前三部分带入大量杂质离子,特别是对点蚀敏感的氯离子在较低或较高的pH值条件下都会加剧点蚀;因此选择去离子水,适宜的温度、时间、pH值等也显得格外关键;

2. 槽液及添加剂

硬质阳极氧化当前存在槽液单一、浓度偏高、应用范围有限、对膜层溶解度偏大、需要低温环境和能耗较高等突出问题;为追求更好性能或适用范围广的槽液,一方面改善膜层质量,使之更加平滑、光洁,孔隙率更小,表面厚度、硬度更高,耐磨性更好;另一方面提高工艺温度,达到节约能源、降低成本的目的,拓宽工艺范围,特别是一些高硅、高铜的铝型材;因此需要对现有槽液进行改进,选用某些化合物或稀土元素作为添加剂,改善硬质阳极氧化过程,建立新的动态平衡来实现;在电解质溶液中添加一些可降低膜层溶解速度的化合物,以改善铝型材阳极氧化的界面状态,降低膜的溶解速度和孔隙率,从而提高硬质阳极氧化温度,节省氧化时间;常见添加剂有草酸、磺基水杨酸、苹果酸、酒石酸、甘油、三乙醇胺等多元醇及其衍生物;

稀土元素应用于铝型材阳极氧化过程并不能使稀土元素在氧化膜上沉积,但稀土元素能加快阳极氧化反应速率,提高成膜速度,从而使阻挡层有所增厚,使多孔部分孔隙率减小,结构更为致密,提高铝型材抗点蚀、晶间腐蚀性能;

随着研究的深入,研究者发现单独添加一种常用添加剂或稀土添加剂并不能使氧化膜性能得到明显提高,而是需要配合使用一些混合添加剂;这类添加剂包括有机络合剂、导电盐和表面活性剂等;有机络合物可提高铝型材表面氧化层的沉积速度,可使用更高的电流密度而不致烧毁氧化膜,使氧化膜具有更好的光泽,紧密均匀,耐磨性和抗腐蚀性良好;如钾盐、钠盐、铝盐和镁盐这类导电盐,可以提高溶液的导电性,降低槽压,减少电能消耗,改善膜层质量,提高其性能;当前研究热点:一是着眼点于提高氧化温度,解决温度升高过快对氧化膜的不良影响;二是探索添加剂在铝型材阳极氧化中的新工艺,以期有效提高氧化膜的耐蚀性能和硬度;

3. 搅拌方式与挂具

据资料介绍,生成2.5μmAl2O3膜的生成热是15.88kJ/㎡,从而造成槽液温度升高;改进搅拌方式和增加散热是提高氧化效率、改善膜层性能的主要措施之一;目前国内外搅拌和散热的措施较多,主要有高速泵加速循环槽液、压缩空气搅拌、槽液高速射流搅拌散热等方式;实践表明,采用内外冷却方式效果最佳,且冷却速度对氧化膜的生长和致密度有很大的影响;采用自动化控制系统,实现铝型材硬质阳极氧化生产的全自动化,消除人为操作的误差,从而保证产品的一致性,实现提高槽液温度和降低能耗的目标;

此外,挂具的选择也至关重要;挂具材料一般选用铝或钛,有挂钩式和夹具式两种;主要存在挂具或夹具与铝型材表面接触不牢、接触面积太大,挂具与夹具材料影响膜层性能等问题,采用钛铝组合挂具,效果更好;

4. 电源优化

为进一步改善铝型材硬质阳极氧化,特别是铜、硅质量分数分别在2.5%、7%以上的铝型材,减少烧穿或提高工作温度,提高膜层的硬度、厚度或耐磨等性能,电源波形和电源设备已经成为硬质阳极氧化研究的热点;

脉冲电源的引入给铝型材硬质阳极氧化带来较大变革;脉冲氧化通过调整通断比和峰值电流,在瞬间给出较大电流密度,但因电流的非连续性,氧化产生的热量可通过氧化间隙由强搅拌带走,即“电流恢复效应”,从而达到降低膜的溶解速度、提高氧化液温度的目的;

因此,通过对脉冲电源输出峰值电流、通断比、脉冲频率的组合,减少氧化膜的溶解并对其修复,以提高成膜速度和氧化膜的致密度,最终实现高效节能、获得优异性能是今后脉冲电源发展的方向;此外,在电源设备上,注意改进控制和调整电路的设计,完善计算机对接程度,以及完善脉冲电源多功能化技术;

发布于 2021-10-28 10:20