影响6063铝合金硫酸阳极氧化K值因素

影响6063铝合金硫酸阳极氧化K值因素

徐连军，陈东，朱世安

（广东豪美铝业股份有限公司，广东清远，511540）

摘要：分析与探讨铝型材硫酸阳极氧化生产过程中各种工艺参数的变化对阳极氧化膜成膜系数K的影响。以便在阳极氧化生产过程中对各工艺参数加以控制，使型材表面获得理想氧化膜膜厚，从而达到进一步的节约成本和控制型材色差的目的。

关键词：硫酸阳极；氧化膜；膜厚；控制；色差

中图分类号：TG178 文献标识码：A 文章编号：1007-7235 (20 xx) xx-xxxx- xx

Factors influencing the 6063 aluminum alloy sulfuric

acid anodic oxidation K value

CXU Lian-jun, HEN Dong,ZHU Shi-an

(Guangdong hao mei aluminium co., LTD., guangdong qingyuan, 511540 )

Abstract: Analysis and discussion aluminum sulfuric acid anodic oxidation process of various process parameters

change on the influence of anodized film coefficient K. So in anodic oxidation process of each process parameter

control, make the material surface to obtain ideal oxide film film thickness, so as to achieve the purpose of further

cost savings and control profile color difference.

Key words: Sulfuric acid anode; Oxide film; Film thickness; Control; The color difference

铝及其铝合金具有密度小、易切削、导电性能好、塑性高、耐腐蚀等优点。因此在国防建设、航空航天、建筑装潢、交通运输、电子制造等领域得到了广泛应用。随着铝加工工业的蓬勃发展，铝表面处理已成为铝加工过程必不可少的生产环节[1]。铝表面处理的方法有很多，主要有表面机械预处理、化学预处理、电化学处理、物理处理等[2]。其中铝合金硫酸阳极氧化具有生产成本低、膜的透明度高、耐腐性和耐磨性好、电解着色和化学染色容易等优越性得到了人们的喜爱。但阳极氧化是以消耗大量的电能为代价，这无疑制约了阳极氧化的进一步发展。6063铝合金是阳极氧化使用最多的铝合金，研究影响它的成膜系数的主要因素，优化其阳极氧化条件，对减少阳极氧化电能的消耗很有帮助。铝阳极氧化膜厚度从理论上可按法拉第底第二定律所推导的公式计算，膜厚度＝Kit，其中i表示电流密度（A·dm-2），t表示阳极氧化时间（min），它们是变量，成膜系数K值是经验系数，受很多因数的影响。以下着重从极间距、槽液硫酸浓度、槽液温度、电流密度、电解时间等五个方面来分析对K值的影响。

收稿日期：

基金项目：广东省应用型科技研发专项资金项目（2016B090931004）

第一作者简介：陈东（1986-），男，河南人，助理工程师，主要研究方向铝型材表处理加工技术。

1试验

1.1基体材料 试验用型材样品合金为6063，规格为76x25mm方管，壁厚1.2mm，其合金成分Si：0.40％～0.44％，Fe：0.1％～0.2％，Cu：≤0.05％，Mn：≤0.05％，Mg：0.50％～0.54％，Cr：≤0.01％，Zn：≤0.03％，Ti：≤0.08％，Al：余量。

1.2 阳极氧化工艺流程

上架→除油→水洗→碱蚀→两道水洗→中和→两道水洗→阳极氧化→两道水洗→封孔→两道水洗→下架

除油槽：H2SO4（游）浓度170～190g/L；除油时间：2-3分钟。

碱蚀槽：NaOH浓度70～80g/ L；Al3+浓度90～110g/ L；温度：55～60℃。

中和槽：H2SO4（游）浓度180～200g/L；浸泡时间3-5分钟。

阳极氧化槽：H2SO4（游）浓度170～190g/ L；Al3+浓度：10-18 g/ L； 温度：18±2℃。

封孔槽：Ni2+浓度0.9～1.2g/ L；pH值：5.4～5.7 ；温度：60～64℃。

1.3 阳极氧化

采用擎天20KVA恒电流水冷高频开关电源 (20000A，24V)，纯铝板为阴极，不同浓度的硫酸溶液作电解液。

工艺条件为：电流密度0.8~2.2 A·dm-2，极间距200 ~ 310 mm，温度16 ~ 21 ℃，时间20 ~ 60 min。

1.4成膜系数计算方法

法拉第第二定律，推导出成膜系数K=膜厚/it。式中，i表示电流密度（A·dm-2），t表示阳极氧化时间（min）。膜厚按GB/T 4957-2003《非磁性基体金属上非导电覆盖层 覆盖层厚度测量 涡流法》测得。成膜系数越高，说明此时的工艺条件有利于阳极氧化膜形成。

2 结果与讨论

2.1极间距对成膜系数的影响

在硫酸浓度为180g/L，温度18℃，电流密度1.3，氧化时间37分钟的工艺条件下，改变极间距，比较在不同极间距下生成的阳极氧化膜的厚度，并计算出对应的成膜系数，结果见图1。

在阳极氧化过程中，加载在电极间的电压为：

V=IR1+IR2

式中 I——阳极氧化电流，A ；

R1————氧化膜层电阻，Ω 图 1 R2————槽液电阻，Ω

从式中可以看出，外加电压为阳极氧化电流通过氧化膜层和槽液两个负载的电压之和。外加电压随氧化膜的厚度增加而增加，在阳极氧化开始时而氧化膜层的电阻不变，因此只有槽液电阻影响阳极氧化电压，而槽液电阻受极间距的增大而增大。故当外加电压一定时，极间距约大，实际氧化电流越小，其成膜系数越低。但极间距约小，能够氧化的型材外接圆直径约小，考虑实际生产情况我们一般采用200-350mm的极间距。

2.2 槽液硫酸浓度对成膜系数的影响

铝在硫酸溶液中阳极氧化，金属铝的氧化膜形成过程和氧化膜的溶解过程是相互对立而又密切关联的。

硫酸电离：H2SO4=2H++SO4

成膜过程：2Al＋3H2O→ AL2O3 ＋6H＋＋6e

膜溶解过程：AL2O3 ＋6H＋→2AL3＋＋3H2O

氧化膜的增厚过程取决膜的溶解和生成速度比，氧化膜的成长速度与电解液中硫酸浓度有密切关系[3]，因此研究硫酸浓度对成膜系数的影响很有必要。

在极间距为260mm，温度18℃，电流密度1.3，氧化时间37分钟的工艺条件下，改变硫酸浓度，比较在不同硫酸浓度下生成的阳极氧化膜的厚度，并计算出对应的成膜系数，结果见图2

图2

硫酸浓度高，对氧化膜的溶解作用大，形成的阻挡层则薄，维持一定电流密度所需的电压降低，表面上表示省电，实际上较高的硫酸浓度加大了对氧化膜的侵蚀，氧化膜的生成效率反而降低。如图2所示低浓度的硫酸电解液有利于氧化膜的生成，相应的成膜系数提高，但此时生成的氧化膜膜层孔隙率低，吸附性低，不利于染深色调。高浓度的硫酸电解液虽然不利于膜的生成，但生成的氧化膜孔隙率较高且富有弹性，吸附能力强，利于染色。因此应根据后序工艺对氧化膜的要求来选择合适的硫酸浓度[4]。

2.3 槽液温度对成膜系数的影响

在硫酸浓度为180g/L，极间距为260mm，电流密度1.3，氧化时间37分钟的工艺条件下，改变槽液温度，比较在不同槽液温度下生成的阳极氧化膜的厚度，并计算出对应的成膜系数，结果见图3

图3

由图3可知，电解液温度升高氧化膜溶解速率加快，膜层生长速率减慢，成膜系数下降，不利于膜层的生长。且当温度超过21℃时，生长的膜层疏松、很容易起粉、耐蚀性能下降。电解液温度低，氧化膜层溶解速度慢，膜层生长速度快，成膜系数提高，生长出厚且致密的膜层。一般普通阳极氧化温度控制在18-20℃为宜[5]。

2.4电流密度对成膜系数的影响

在硫酸浓度为180g/L，温度18℃，极间距260mm，氧化时间37分钟的工艺条件下，改变电流密度，比较在不同电流密度下生成的阳极氧化膜的厚度，并计算出对应的成膜系数，结果见图4

图4

由法拉第第二定律膜我们知道氧化膜厚度＝Kit，在假设K值是定值的情况下，提高电流密度有利氧化膜的生成。由图4可知，适当提高电流密度，氧化膜生长速率加快，成膜系数提高。这是因为随着电流密度的提高，单位时间内生成的氧化膜厚度增加；单位时间内氧化膜溶解的速度并没有变化，这样就改变了氧化膜的溶解和生成速度比，氧化生长速率自然加快。但较高的电流密度，会导致工件各部分的膜厚不同，从而导致着色工序着色不均，并且封孔效果也差。低电流密度长时间电解，生成的氧化膜，虽然处理表面光亮，但耐蚀性和耐磨性均下降[5]，且氧化效率低。综合考虑工业生产中一般采用1.0-1.8 A·dm-2的电流密度。

2.5氧化时间对成膜系数的影响

硫酸浓度为180g/L，温度18℃，电流密度1.3，极间距为260mm的工艺条件下，改变阳极氧化时间，比较在氧化时间下生成的阳极氧化膜的厚度，并计算出对应的成膜系数，结果见图5

图5

在阳极氧化的后期，氧化膜的溶解速度逐渐增强，随着电解时间的延长，氧化膜的厚度增加并不明显[7]，但成膜系数却在不断降低。这是因为随着氧化时间的延长，氧化膜逐渐增厚，虽然氧化膜的生成能力在恒定电流密度下保持基本不变，但反应产生的热量传递出去的能力随氧化膜厚度增加在不断下降，这就导致了膜孔中硫酸温度不断提高，其结果就是氧化膜的溶解速率逐渐提升，总体生成的氧化膜的速率降低。

3结论

通过对极间距、槽液硫酸浓度、槽液温度、电流密度、氧化时间等阳极氧化工艺条件的改变，我们得出以下结论：

⑴成膜系数随极间距的增大而减小；

⑵成膜系数随槽液硫酸浓度的升高而减少；

⑶成膜系数随槽液温度的升高而减少；

⑷成膜系数随电流密度的增加而增加；

⑸成膜系数随氧化时间的延长而减少。

铝合金阳极氧化的工艺确定是一个复杂的系统工程，在实际生产中我们需要考虑的因素要多得多，例如槽液温度高则成膜系数降低，但对减温系统的电耗降低有非常大帮助。本文的意义是在不增加生产成本的前提下选择合适的阳极氧化生产工艺，提高氧化膜的成膜系数，进一步降低生产电耗。

参考文献：

［1］ 吴锡坤主编.铝型材加工技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.6：821

［2］ 朱祖芳主编.铝合金阳极氧化与表面处理技术 第二版[M].北京：化学工业出版社，2010.1：7

［3］ 吴锡坤主编.铝型材加工技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.6：843

［4］ 徐滨士，刘世参主编.表面工程技术手册上[M].北京：化学工业出版社，2009.65：62

［5］ 吴锡坤主编.铝型材加工技术手册[M].长沙：中南大学出版社，2006.6：844