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铝铜合金硬质阳极氧化工艺技术
时间: 2015/12/14 17:22:55   点击数:0

传统 的铝合金 阳极氧化工艺 , 氧化膜薄 ( 5 — 1 0l a m ) 耐磨 、 耐蚀性差 ,可靠性低。铝合金硬质 阳极氧化可 以在表面 获得较厚的 氧化膜 ( 3 0 ~ 8 0   l a m,H V ≥2 5 0   k g / m m   ) ,膜层硬度高 ,抗蚀能 力强 , 其优 良的耐磨性 、 耐热性 ( 氧化膜熔 点可达 2 0 5 0 ℃ ) 、耐腐蚀性和耐绝缘性 ,大大提高了材质本 身的物理性能 、 化学性能和机械性能 ,是铝合金进行防腐 保护的理想方法 。 但 2 A 1 2 ( L Y 1 2 ) 铝铜 合金 的硬质 阳极氧化比较困难 , 产 品在加 工中易产生 “ 烧蚀 ” 现象 ,为此 ,展开提 高铝铜 合金硬质阳极氧化产 品质量工艺实验 ,对影 响硬质 氧化膜 的各因素进行分析 ,明确工艺过程控制要求 。

1硬质阳极氧化工艺特点

1 . 1硬质阳极氧化成膜机理

铝合金硬质 阳极氧化过程是将工件作 为阳极放 入硫酸溶 液中 ,阴极只起导电作用 ,在外加 电压的作用下 ,溶液 中的 O H 放 电而析出氧 ,氧与阳极上的铝作用生成氧化膜 ,并放 出大量的生 成热 ,同时硫酸对铝及氧化膜还 存在溶 解作用 。即氧化膜 的生 成伴 随两个 同时进行 的反应 ,一是 电化学反 应 ,阳极析 出氧并 与铝 作用生成 A 1   0   , 二 是化学溶解 反应 ,即氧化膜不断地被溶解 。只有当氧化膜生 成速度大于氧化膜化学溶解 速度 ,膜层才能不断增 厚 ,当二者达到平衡时 , 氧化膜 的生长即可停止 。由于存在 电场促溶效 应 , 过 高的电化学反应参数 不但无益于膜的增长 ,反而 会促进膜 的化学溶解 ,降低电流效率 ;因此 ,氧化膜 的厚度是 由化学溶解速 度与膜 的生长速度间的关系决 定的。

1 . 2 硬 质 阳极氧 化 与材质 的 关系及 解 决方法

不同铝合金 系的合 金成分对硬质阳 极氧化 膜的性能 影响很大 。铝铜合金是指铜 含量超过 3 %以上的 铝 合 金 ,其 机 械 强 度 较 其 它 铝 合 金 更 高 。2 A 1 2 ( L Y 1 2 ) 铝铜 合金含铜量为 3 . 8 % ~ 4 . 9 %, 该 合金 中的   相( C u A I 2 )化合 物在氧化 过程 中溶解速 度较快 ,成为 电流聚 集的 中心 ,易使该部 位的膜 层过热而溶解 , 导致零 件被烧 毁击穿 。特 别是在 低浓度硫酸溶液 ( 2 0 0 ~ 2 8 0   g / L ) 中更为 显著 。由于电流分布 的不均 匀性 ,对形状 复杂的零件进 行硬质阳极氧化时必须充分试验 , 选择合适 的工艺参数 。因此 ,在实际生产 中 , 对铝铜 合金进行硬质 阳极 氧化 时 ,必须对常规硬 质阳极氧化条件作较 大的调整 :

( 1 ) 提高 硫酸浓 度至 3 0 0 ~ 3 5 0   g , L ;

( 2 ) 减缓 电流上升速度和降低 电流密度 , 使得氧化膜 生成初期防止富铜相的局部溶解 ;

( 3 ) 将 直流电氧化 改为交直流叠加或脉 冲 电流法 。实践 表明铝铜 合金硬质 阳极氧化对 电源有较高要求 。不适 于采用直流氧化 , 交 直流叠加或脉冲 电源可较好地提高铜铝合金硬质 阳极 氧化质量 。

( 4 ) 铝铜 合金经过固溶处理 +自然时效后 , 将铜 原子溶入 了固溶体 , 可有效 防止合金 中 C u A 1   强化 相的形 成 ,从根本上 消除工 件烧蚀 事故。

2硬质阳极氧化规范对氧化膜 的影响及对电源设计 的要求

2 . 1 电流 密度 的影 响

硬质阳极氧化过程 中 ,被氧化零件 的面积与规定的 电流密度是 两个变量 。若使规 定电流密度值保持不变 , 零件 的真实面积随着氧化 时间的延续而减小 ,实际 电流密度相应提高 ,当膜层 的增长速率很大时 , 所获得 的膜 层将是不平整 、 不 致密的 ,并产生其他一些缺陷 ,甚至零件报废 。因此 , 适 当提 高电流密度能 加快 氧化膜 的生长速度 、 缩短 氧化 时间 、 减少膜层溶解 量 、提高膜层的硬度和 耐磨性 。但 因电流密度提 高后膜层发热量大 ,导致其溶解加快 ,硬度反而 会有所降低 , 严重时 L Y I 2 的零件还会发生击 穿烧毁 。 形状复杂 的铝铜零件进行硬 质阳极氧化时 ,电流 分布很不均匀 , 起始 电流需综 合考虑 。升高初始 电流密度对提高膜层硬度有利, 但最高初始电流密度不能超过 2 4   A / d m   ,大多数硬质 阳极氧化工艺 的电流 密度都控 制在 2 ~ 5A/ d m。, 但由此 会带来 成膜速 度慢 、 化学溶解 时间长 、硬度不能得到很大 的提 高等后果 。氧化过 程中应经常注意 电压与 电流表 ,如有 电流突然增 加 ,电压突然下 降现象 ,说明有些零件膜层 已局部腐蚀溶解 , 这时应 立即断 电 , 检查 和取出已破 损的零件 ,其他零 件再 继续氧化 , 并 一次给 足电流 。

2 . 2氧 化温 度 的影 响

铝合金硬质 阳极 氧化普遍 采用 低温进行 。温度对膜 层 的硬度 和耐磨性影响很 大 ,低温有利 于膜厚及硬度 的提 高 ,且低温状态下 ,氧化膜表面生成热和焦耳热 易于散发 , 有利 于避免 “ 烧蚀 ” 现 象产生 。但温度过 低氧化膜 脆性 大。适宜 的温度要视 硫酸浓度 、 电流密度和合金 成分而 定 , 一般控制在. 1 O ~1 O℃范 围内。通过实验 , L Y I 2 铝 合金硬质阳极氧化温度为. 3 ±1 ℃ 。

2 . 3氧 化溶 液 的影 响

硬质阳极氧化一般采用 1   0 % ~ 3 0 %的硫酸 , 对铝铜合金一定 要在较高浓度的硫酸溶 液 中进行 。低的复合酸浓度 有利于得到高显微硬 度的膜层 ,同时能缩短形 成完整膜 层的时 间。改变溶液 成分 ,添加草酸和添加剂 , 对降 低 L Y1 2中 C u A I 2 相的溶解 、减缓反应 、减少热量的放 出 、阻止焦耳热对膜 层的影响有 一定作 用 , 为工艺使 用高 电流 密度创 造了条件 。有 关添加剂的研究 , 是 目前一个十分活跃 的学术领域 。添加剂品种繁 多 , 作 用机理不尽 相同 ,但加入 的 目的有两个 , 其 一是为膜层 的质量 ,使之平滑 、光洁 、厚度更 大 ,硬度更高 ; 其 二是为了扩大工艺温度范 围。据 资料介 绍 ,一些有机 添加剂的加入 ,可把硬质有机 氧化 的工艺温度提 高至室温 ,达到节省制冷设备 ,节约能源 ,降低成本的 目的。

2 . 4 硬 质 阳极氧化电解规范对电源设计的要 求

采用单相交直流叠加电源 ,可有效地解决铝铜合金硬质阳极氧化 的 “ 烧蚀 ”现 象。正向电流采用半波整流 , 反向电流在负半波进行叠 加 ,正反向电流比为 ( 8 ~ 1 0 ) : 1 , 输 出电流波形如图 1 所示 。 正
向半波时 , 大 电流进行 阳极 氧化 , 氧化膜快速生成 ;在负半波时 ,用极小 的 电流保护氧化膜 不溶 解 , 使得在 易发生 “ 烧 蚀”的危险期 ,电化 学反应量上升速度减缓 ,以缓解 电化学反应生 成热 和焦耳热 , 降低零件表面液层的温度 , 避免发生 “ 烧蚀 ” , 同时加大膜层局 部微 观生长突 出处的化 学溶 解量 ,使膜层生成厚 度更趋 均匀 ,氧化膜粗 糙度下降 , 改善膜层质量 , 从而使氧化膜不断生长 又不发 生 “ 烧 蚀” 。

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图 1 正反 向 电 流 波 形

3 硬 质 阳极 氧 化 的工 艺 要 求

铝铜合金零件硬 质阳极氧化 时 ,机/ J H T . 艺和零件复杂性也是 影响硬质 阳极氧化 质量的关键因素 。在 生产实践 中 ,复杂零件的硬质 阳极氧化时 ,同槽进行的零件数量不能多 , 因为阳极氧化时零件越 多 ,电流分布就越不 均匀 ,电流集 中的部位就很容 易被击穿烧毁 , 零 件多硬 质阳极氧化操 作难度大 。 同时 ,要提 高零 件硬 质阳极氧化 质量 ,对机/ J H T . 艺应符合

以下要求 :

锐 角倒 圆 :硬质阳极氧化零 件的锐边 、 尖 角和毛 刺等尖突部分 ,电流集 中易产生大量的热 , 致使零件烧伤 ;当膜层稍厚 时 ,这些部分会产生 大量微裂纹 , 并 出现灰 白色疏 松易脱 落的膜层 。因此 ,硬质 阳极氧化零件 的棱 角必 须倒 圆 (  ≥0 . 5   m m) , 不允许有毛刺 。

表面粗糙度 :基体表面粗糙 度较 高 ,可获得孔隙率低 、 致 密性 高 、 具有较 高显微硬度及厚度 、 光泽好 的氧化膜 。

尺寸精度 :硬质氧化 阳极 后零件增加的尺 寸为生成膜层厚 度的一半左右 。所 以 ,在机械/ J H T . 时 ,必须根据膜层厚 度和尺寸公差 来确定硬质 阳极氧化前的/ J H T . 尺寸 ,以便处理后符 合规 定的公差范 围 ,保证尺寸精度 。

4 结 论

铝 合金硬质阳极氧化膜厚度 ,是 由化学溶解速度与膜 的生长速度 间关系所决定 。由于存在 电场 促溶效 应 ,过高的 电化学 参数不但无益于膜 的增长 ,反而 会促进膜的化学溶解 ,降低 电流效率 。铝铜 合金 中 盯 相( C u A 1 2 ) 的存在 是造 成硬 质阳极氧化困难的原因 ,高硅 、高铜 铝合金使用常规 电源无法获得理想的硬质 阳极氧化膜 ,产品 易发生工件 “ 烧蚀” ,膜 层不均匀连续或膜 层极薄 。采用交直流叠加或脉冲电源可较好地提高铝铜合金硬质 阳极氧化质 量。

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