摘要：针对硬铝合金零件在硬质阳极氧化过程中，容易发生烧蚀故障，导致零件报废率高的问题，通过分析烧蚀原因，研究硬质阳极氧化过程中槽液温度、浓度、电流密度及合金成分的影响，明确改进方向。采用脉冲电镀电源，在硬质阳极氧化过程中，采用适宜的温度范围、合理的槽液浓度以及适当提高电流密度，通过调整频率、占空比，采用“间歇”式供电模式等具体参数指标，促使硬质阳极氧化过程中产生的焦耳热和反应热能够及时被槽液转移，从根本上解决零件容易烧蚀的问题。
关键词：硬质阳极氧化、烧蚀、脉冲电源
0 引言
铝及铝合金零件经过硬质阳极氧化处理后，在零件表面可以形成致密的Al2O3氧化物膜层，提高零件的防护性能、装饰效果和耐磨性能。一般来说，硬质阳极氧化在较低温度溶液和较大的电流密度下生成的氧化膜致密而且硬度高。但是，由于零件材料成分、槽液温度、电压、膜层厚度等因素的影响，特别容易导致零件需要氧化的表面因局部电流过大，产生的热量较多，反应热和焦耳热散失不良时，诱发零件氧化膜被电击穿，零件局部破坏形成“烧蚀”故障。尤其是随着铝合金中合金元素（特别是铜元素）含量的增加，更容易发生“烧蚀”故障，传统的直流硬质阳极氧化技术在工程应用中存在工艺条件苛刻、成膜速度慢、烧蚀率高、生产成本高等一系列问题。这就需要探讨一种新的阳极氧化模式，从根本上解决“烧蚀”故障，并提高零件表面氧化物膜层的致密性。
1 烧蚀原因分析
1.1硬质阳极氧化原理
铝及铝合金硬质阳极氧化的原理：
阴极反应：4H++4e=2H2↑
阳极反应：4OH--4e=2H2O+O2↑，2Al+3O2=2Al2O3
另外，阳极反应过程中，在形成氧气前，可以出现氧原子状态，原子状态的氧比分子状态的氧更活泼，也更容易与铝合金发生反应：2Al+3O→Al2O3
另外，形成的Al2O3处于硫酸水溶液中，也会发生化学反应，形成相应的溶解过程：Al2O3+6H+=2Al3++3H2O
从原理上看，随着阳极氧化时间的延长，氧化膜的厚度增加，导电性能下降，这就需要提高氧化的电流，随着电流增大产生的热量也将进一步加大。如果产生的热量不能及时散逸，就为“烧蚀”故障的发生奠定了条件。
1.2 烧蚀原因分析
目前，针对铝及铝合金零件硬质阳极氧化过程中出现的“烧蚀”故障，相关人员进行了研究，得出了由于阳极氧化时局部电流密度过大造成反应热和焦耳热过多，不能及时散逸，导致氧化膜层局部融解，从而出现“烧蚀”。这是由于不能有效散热，造成严重的过热状态。也有研究人员认为是反应到一定阶段后，膜层增厚，电阻增加，随着电压的升高，膜孔的析氧量上升，同时产生大量的焦耳热和反应热，由于氧气是不导电的，在高电压下膜层热量进一步增加，达到一定程度后就会引起氧的气体放电，出现火花，使零件尖端电流集中处膜层首先破坏，导致零件烧蚀发生。
尤其是对于铜含量大于2.5%和硅含量大于7%的铝合金材料，随着合金元素含量提高，含铜铝合金在强化时，晶粒边缘会析出少量的CuAl2或CuAl2Mg2相，因为这些加强相电化学活性大，氧化时极易成为电流聚集区，在该部位出现“局部大电流”，导致局部热量过大、电流大使得膜层被击穿。
2 影响因素探讨
2.1 研究槽液浓度的影响
电解液浓度对阳极氧化过程的影响，用硫酸溶液进行硬质阳极氧化时，当浓度低时，获得的膜层硬度高。对于含铜量较高的铝合金零件，由于合金中存在有CuAl2金属化合物，在氧化过程中溶解速率较快，易形成电流聚集中心而被击穿，所以对含铜量较高的硬铝合金，应采用较高浓度的硫酸电解液进行硬质阳极氧化。
2.2研究温度的影响
电解液温度对氧化膜层的硬度和耐磨性有较大的影响，一般来讲，温度越低，硬质氧化膜层硬度高、耐磨性能好。由于在低温情况下，电解液对膜层的溶解作用明显减弱，为了获得耐磨性好、硬度高的膜层，应严格控制槽液温度，并控制温度变化不可超过±2℃。
2.3 研究电流密度的影响
提高电流密度时，能够加速氧化膜生成，同时缩短阳极氧化时间，缩短了膜层受硫酸溶解的时间， 提高膜层硬度和耐磨性。但是，当电流密度过大时，氧化时发热量大增，使得阳极零件界面温度过高，容易导致局部烧蚀，同时，温度升高将导致生产的氧化膜层溶解速率加快，降低氧化膜的硬度。反之，如果电流密度过小，虽然氧化过程产生的发热量减少，不容易出现“烧蚀”故障，同时要获得一定厚度的氧化膜层，需要长时间的阳极氧化，使得生成的膜层与受硫酸溶液接触时间长，加大了溶解因素，会降低氧化膜层的硬度。
2.4 研究材料成分的影响
合金元素的影响，尤其是铜含量大于2.5%和硅含量大于7%的铝合金材料，随着合金元素含量提高，对硬质阳极氧化膜层的质量有较大的影响，主要表现在膜层的均匀性和完整性的影响。对于硬铝及部分锻铝合金，不适宜采用直流硬质阳极氧化的工艺。
3 应对策略
3.1提高电流密度
从铝合金零件烧蚀原因可以看出，铝及铝合金硬质阳极氧化是一个动态平衡的过程，增加电流密度有助于提高氧化膜的成膜速度，所有在阳极氧化过程中的电流密度为3.5～4.5A/dm2，而传统的直流阳极化电流密度为2～2.5A/dm2，采用脉冲硬质阳极氧化，可以大幅度提高电流密度而不烧蚀，从而能够降低氧化膜的溶解，从而提高氧化膜生成速度，提高膜层硬度。
3.2 适宜的温度范围
硬质阳极氧化的电解液在±5℃的温度下进行，通过冷冻设备将溶液温度降至±2℃后，充分搅拌溶液，确保溶液温度均匀，并且在氧化过程中持续搅拌，及时带走零件氧化过程中产生的热量，能够有效避免烧蚀问题的发生。
3.3选择最佳槽液浓度
常用阳极氧化溶液中硫酸的浓度为200～250g/L，对于含铜量大于4%的铝及铝合金硬质阳极氧化溶液中硫酸的浓度为300～350g/L，对于含铜量大于5% ，硅含量大于7%，或铜、硅含量总量大于8%，采用直流电源进行硬质阳极氧化，得不到满意的膜层时，可采用交、直流叠加电源或脉冲电流进行氧化，交、直流阳极氧化法溶液中硫酸的浓度为240～260g/L。从中可以发现，随着含铜量的增加，溶液中硫酸的含量是增加的，试验时，从低浓度开始进行，逐步提高硫酸的浓度，以达到理想的效果。
3.4 脉冲硬质阳极氧化
脉冲硬质阳极氧化通过调整波形、频率、占空比和峰值电流等参数，在瞬间给出很大的氧化电流，但因阳极氧化电流的非连续性，氧化产生的热量可通过氧化间隙由强烈搅拌而被槽液带走，通过间歇式供电，使得阳极氧化过程中产生的热量能够及时被槽液带走，从而降低了发生烧蚀的概率。而且，间歇式的供电方式，能够使得零件表面的气体及时逸出，降低气体隔绝散热的作用，从而也能够降低发生烧蚀的几率。
4 总结
依据《铝及铝合金硬质阳极氧化工艺》及《铝及铝合金硬质阳极氧化膜层质量检验》中规定，对于含铜量高的硬铝合金，采用脉冲硬质阳极氧化，能够使得铝合金零件硬质阳极氧化膜层外观、硬度、耐磨性、耐腐蚀性达到标准要求。
在硬质阳极氧化过程中，采用冷冻机控制槽液温度，在温度达到±2℃后，充分搅拌槽液，再进行硬质阳极氧化，通过控制脉冲电源的占空比、频率及阶梯式给电降低铝及铝合金零件硬质阳极氧化过程中发生烧蚀问题。
作者简介：张正波，男，工程硕士，从事航空零件热处理与表面处理工艺研究。