铝阳极氧化工艺中的若干问题

1　铝阳极氧化设备及安装  

　　与其它金属电镀工艺相比，铝阳极氧化的设备比较复杂，除氧化槽、整流器、加热器之外，还需冷冻机、空压机，槽内还要敷设空气搅拌管、冷冻管。氧化槽一般选用钛槽、塑料槽或衬铅铁槽，冷却管采用铅管或钛管，加热管则采用钛制加热管或电加热器。空气搅拌管采用塑料管较多，直径一般为20～25mm，搅拌管离槽底约25mm，管上小孔直径为1～2mm，孔距50～100mm，小孔总面积应为搅拌管截面积的80%以内，压缩空气消耗量按每平方米液面每分钟0.8m3计算，压缩空气压力可按每米深溶液1.47～1.96kPa估算。对于生产线上极杠材料的选择问题，一种观点认为不允许采用铜或铜合金，而应采用铝或铝合金制的极杠，以防止零件出入槽所带的酸液滴落在极杠上而造成铜离子对溶液的污染。笔者认为，即使采用铝合金极杠，也会造成铝离子在溶液中加速积累。有效的办法是减少酸液滴落到极杠上或将极杠保护起来。就是说，我们可以适当延长零件出槽后在槽子上方的停留时间，使酸液尽可能多地滴回到槽子中，同时又用与极杠粗细相当的塑料管剖开套在极杠上，以保护极杠免遭酸液腐蚀。值得一提的是，目前许多厂家采用的钛槽、钛加热管和冷却管，由于钛质不良，表面已形成粗糙的砂面，这时，它们受到溶液的溶解腐蚀。所以事实证明，还是采用衬铅铁槽和铅冷却管较为可靠。但铅冷却管宜采用厚壁的，以防被阴极板碰穿。不过由于铅熔点低，与其它金属熔点相差悬殊，因此对焊接技术和焊接方法要求较高。  

2　溶液配制及维护  

　　配制溶液应采用蒸馏水和去离子水。考虑到蒸馏水制备速度慢且量少，去离子水制取麻烦，出水量也不限，笔者采用蒸汽冷却法制取蒸馏水:将钛制蒸汽加热管放入冷水中通入蒸汽并打开自来水，蒸汽在钛管内冷却成蒸馏水流出，方法简单，出水量大。
　　配制溶液时要注意两个方面:①应将硫酸缓缓加入水中，并不断搅拌，切不可把水加入浓硫酸中，以防酸液溅出；②溶液不可一次配成，最好分几次，并在配制时开启冷冻机和空压机搅拌。以防放热引起溶液温度升高而腐蚀。钛制加热管、冷却管及槽体，严重时还会造成泄露。即使采用塑料槽，升温也会使槽子受热变形和老化。因此，配制溶液的正确做法是:计算好槽子容量和硫酸用量，在槽内加入约3/4体积的水，打开抽风、冷冻机和空压机等设备，把硫酸缓慢倒入槽内，当溶液温度达到40～50℃时，应停止加硫酸，待溶液冷却后再加硫酸，如此反复至硫酸加完，然后加水至规定体积。
　　溶液的维护主要是分析调整硫酸含量。由于阳极氧化过程中铝的溶解，溶液中总会含有铝离子，因此不能用测密度的方法来控制硫酸含量。在实际生产中，我们所说的硫酸含量是指游离硫酸的含量。游离硫酸的测定方法可参考在机械出版社出版、武汉材保所编印的《常用电镀溶液的分析》一书。
　　溶液维护还包括控制杂质离子含量。在零件阳极化过程中，铝合金中的各种重金属也会进入溶液，其中一部分会在阴极板上析出，故应经常刷洗阴极板以除去重金属。实践证明只要我们能有效地避免氧化槽上铜极杠和铜挂勾被溶液溶解而带来的铜离子污染，并经常刷洗阴极板，重金属杂质对溶液寿命的影响一般便不大。这样，对溶液寿命的主要威胁会来自铝件溶解产生的铝离子。机器制造业零件所用铝材较复杂，既有纯铝、防锈铝、硬铝、锻铝等变形铝合金，又有铸造铝合金。若为不同材质的零件设置不同氧化液的槽子处理(即配成几个浓度高低不同的氧化槽)显然是不合算、不现实的。就是说，一般只能用一个氧化槽来分别处理不同材质的零件。在这种情况下溶液的浓度应控制在220g/L左右，这样可照顾到硬铝阳极化，又尽可能减少铝的溶解。为了避免铝杂质积累到浓度极限，阳极氧化溶液应一年一次定期过滤澄清，弃去底部沉淀，这样既部分更换了溶液，也能延缓铝的积累。
　　溶液维护中一个容易受到忽视的问题是液面控制。一般情况下春夏季节空气湿度大、温度高，空气中水份在液面上遇冷凝成水份液面会逐渐升高，浓度会逐渐变低；秋冬季节气候干燥，气温与液温相差不大，溶液挥发量大，液面会逐渐变低，浓度会逐渐升高，技术人员应注意根据这一变化，做好溶液浓度调整。  

3　材料选择  

　　铝合金的成份和热处理状态对在其表面生成的阳极氧化膜外观和性能影响很大。所以，若对零件外观和性能有特殊要求，则应针对性地选择材料。铝合金成份的影响主要是合金中其它元素对膜层外观的影响，例如高纯度铝生成的膜是无色透明的，合金中的铜会使膜层呈暗色，锌使膜层呈不透明乳白色，硅含量高会使氧化膜呈暗灰色。另外，铝-铜合金、铝-硅合金、铝-锰合金的硬质阳极化较困难，容易被烧蚀。当合金中铜含量大于5%或硅含量大于7%时，不适于采用直流电氧化，而应采用交直流叠加或脉冲电流进行氧化。较厚的硬铝板有包铝和裸铝之分，包铝只是在表面有一薄层较纯的铝，内层杂质很多，因此表面不适合机械处理，即使碱处理和化学抛光处理也要小心，不可过重，因为一旦露出底层就会生成有色泽的氧化膜造成报废。热处理是通过对铝合金内部晶格组成、排列顺序、晶粒大小等内部组织结构的变化来影响氧化膜的结构和性能。例如经热处理回火或定性的铝材料消除了零件内部的内应力，使晶格组成更稳定、排列更有序，零件硬质氧化后颜色较深，而未回火或定性处理的零件，硬质氧化膜颜色就较浅。铝合金零件可以通过加热到临界温度以上，然后在静止的空气中冷却的方法，使晶粒细化，细小的晶粒在阳极化过程中反应均匀，外观色泽一致，相反，粗大的晶粒在阳极化过程中反应不均匀，容易出现桔皮外观。值得注意的是材料牌号相同但状态不同，其氧化膜色泽也会不一致。表1列出了几种常见的铝合金状态符号和状态含义。表2列出了几种常见材料固溶处理和人工时效、自然时效的温度。经过热处理(包括锻造)的铝材料表面有一层厚厚的氧化皮，由于颜色不明显常常被人忽视，应采用机械或化学方法在阳极化前处理干净。 

　　表1　常见铝合金状态符号及铸造铝状态代号  　　　

表2　 几种常见铝材的固溶处理、人工时效、自然时效温度 

4　加工余量  

　　机器制造行业的零件绝大部分都有较高的精度要求，而零件的尺寸会在硬质阳极氧化后有所增大。因此，在机械加工中，要根据膜层厚度、尺寸公差来确定阳极化前的尺寸，以便零件在处理后能符合规定的公差范围。在实际应用中，为了做到标准化规范化，往往采用工艺保证零件质量的方法，即在严格按工艺技术要求操作的情况下，氧化时间定为50～60min，不再规定膜层厚度，定期检查膜层硬度。这样在机加工尺寸公差的确定问题上就能做到统一放量。考虑到机械加工中操作者在加工时“轴类走公差上限孔类走公差下限”的操作习惯和心理，对轴类零件可按设计氧化成活后尺寸公差上限直径减60 μm，下限减50μm；对孔类零件按设计氧化成活后的上限直径减50μm，下限减60μm，作为硬质氧化工序放余量。 

5　质量故障预防 

　　一般而言，只要控制好溶液的浓度、温度和杂质浓度以及操作的电流、电压和时间，铝件阳极化的质量是比较稳定的。但由于铝阳极氧化的质量故障现象比较明显，一旦出现质量问题，便往往需要重新处理或报废。因此最重要的是以预防为主，把日常维护工作做好，把各项预处理工作做好。一般常做的工作有:
　　①零件预处理干净后要尽快进行阳极化处理，最好不超过4h；
　　②装挂零件的工人要戴上干净手套，以免沾污铝件；
　　③每周刷洗一次“V”型导电座、导电极杠和夹具挂勾等，确保通电接触良好；
　　④每周将阴极板取出认真刷洗一次；
　　⑤每月定期将浮在液面的泡沫油污及其它漂浮物除去；
　　⑥要保证零件与挂具装夹牢固，及时捞出落入槽底的零件，每次装挂零件的夹具都应退去旧氧化膜后才可使用；
　　⑦电解液每年至少澄清过滤一次，并清除底部沉渣，保持溶液清彻透明；
　　⑧夹具除了制件与触点有导电要求外，其它部分要绝缘保护并定期检查，对于破损的夹具要坚决抛弃不用；
　　⑨硬质阳极化零件的烧蚀现象通常发生在28V左右，超过30V就不易烧蚀。因此在25V左右条件时可减慢电流上升速度，待电流稳定后再升高，以避免烧蚀；
　　⑩许多质量故障是由于混料造成的，这类问题如果留意可在预处理工序发现和避免:纯铝、防锈铝等铜、硅含量低的材料在碱蚀后表面呈白色无褐色浮灰，而锻铝、硬铝、铸铝等铜、硅含量高的材料碱蚀后表面则有褐色浮灰。

6　结束语 

　　铝和铝合金经阳极化处理后表面生成的氧化膜具有良好的防护装饰和耐磨性能，已被广泛应用于航空、机械、电子及轻工等方面。近几年来，我国机器制造行业吸收借鉴外国同行的经验，利用铝及铝合金重量轻、易加工等优点在机器零件中大量采用铝制零件代替传统的钢铁件和钢件，铝件在整个机器零件中所占比率在迅速增加，大大减轻了产品重量，提高了加工效率，缩短了产品制造周期，本文从几个方面浅谈了铝阳极化中的一些问题，仅供大家参考。