铝合金硬质阳极氧化膜故障原因分析及对策

武平方，刘 冰，张 勤，周建军，毛 峰，韩平平

(豫西集团南阳北方向东工业有限公司，河南 南阳 474677)

铝的硬质阳极氧化技术是以阳极氧化膜的硬度与耐磨性作为首要特性的阳极氧化技术，这种膜一般以通用工程应用或军事应用为目的，膜厚一般>25 μm，氧化膜的横截面显微硬度>350 HV作为硬质膜的标准[1]。但实际上，硬质氧化膜的硬度与合金种类、阳极氧化工艺参数等因素有关，跟横截面的测量位置也有一定关系。

硬质阳极氧化工艺与普通阳极氧化工艺没有严格的界线，氧化膜的生成机理与普通硫酸阳极氧化相同，但为了获得厚而硬的膜层需要强制冷却电解液，采用高电压和大电流使膜的生成速度远大于溶解速度[2]。

硬质阳极氧化工艺和氧化膜性能受铝合金加工状态和合金成分影响较大。笔者采用以硫酸为主的混酸硬质阳极氧化工艺对挤压铝管2A12产品进行硬质阳极氧化处理，并进行水封闭处理，产品烘干下线后，发现大量产品表面附着有白色粘稠物质，影响产品的质量和外观[3]。

1 基体材料及零件形状

该产品为挤压铝管2A12材质，属于2000系铝合金。2000系铝合金的主要问题是富铜的金属间化合物相的优先溶解，从而在硬质阳极氧化膜中形成空洞。解决上述缺陷的主要诀窍是控制电流上升时间和降低电流密度，使得开始生成薄膜时尽量防止富铜相的局部溶解。2000系的高铜铝合金采用硫酸、直流硬质阳极氧化有一定难度，局限性在于“烧损”倾向，除非电接触和搅拌特别有效，因此高铜铝合金的“烧损”倾向比较常见，常常产品因烧蚀而报废。

该产品为异形零件，内弧面为线切割表面，外弧面为精车表面，局部有尖锐棱角，且有2个φ3 mm通孔，因此产品氧化过程中经常发生“烧蚀”现象，造成产品报废。

2 硬质阳极氧化工艺

工艺流程为：装挂具→上自动线→除油→热水洗→冷水洗(采用空气搅拌)→碱蚀→二道冷水洗→出光→二道冷水洗→纯水洗→硬质阳极氧化→二道冷水洗→封闭→烘干→下自动线→卸挂具。

化学除油：脱脂剂为40～60 g/L，温度为40～60 ℃，时间为3～6 min。

碱蚀[4]：氢氧化钠为40～60 g/L，碱蚀剂为6～10 g/L，温度为60～70 ℃，时间为1～3 min。

出光：硝酸为280～350 g/L，室温，时间为1～2 min。

硬质阳极氧化[5-6]：硫酸为230～260 g/L，甘油为10～20 g/L，草酸为1～5 g/L，温度为0～5 ℃，时间为55～65 min，空气搅拌。

封闭：纯水，温度为90～95 ℃，时间为5～10 min。

3 产生白色物质原因分析

阳极氧化生产线为自动生产线，每槽装5挂，每挂20件，同槽产品下线后有80%的产品外表面附着有白色物质。将附着有白色物质的产品放入高温水中浸泡几分钟，产品表面的白色物质大部分会被去除，但也有产品会留下印痕无法去除，需要进行返工处理。

为了解决该质量问题，笔者现场进行跟踪生产，对附着白色物质的产品进行了现场查看和分析：产品表面附着白色物质的位置，大部分位于尾翼孔位置(见图1)，特别是尾翼孔被白色物质填满；将白色物质取出，进行了定性分析，该物质溶于水，溶液显酸性，含有少量铝离子；附着白色物质的零件通过高温水洗、干燥后，白色物质去除干净，外观检验合格。为彻底解决该问题，笔者从人、机、料、法、环、测6个方面入手，系统查找原因。

3.1 人员

生产线为自动生产线，该生产线配有3名操作人员，负责产品的装夹、下架和生产线设备维护；班组长负责生产线槽液维护。操作人员能熟练操作设备，严格按工艺规程操作，未发现违反工艺的现象。

3.2 设备

该硬质阳极氧化生产线为自动生产线，也可手动操作。该产品是公司的主要产品，产品的挂具为专用钛合金挂具，适合批量生产。产品生产采用自动生产模式，产品的上线和下线在生产线一端依次完成。阳极氧化电源为智能可控硅无级调压整流电源，根据工艺要求，可以通过设置参数，进行全自动工艺曲线输出控制，配置计算机监控系统，能对温度、电流、电压进行监控。生产线行车运行正常，电源电压、电流输出正常，未发生异常。

3.3 料

笔者对需要进行阳极氧化的产品进行外观质量检查[7]。该产品来自于两家机械加工分厂，由于两家采用的机械加工工艺略有差异，因此产品的表面粗糙度略有差异，两家产品都有白色物质附着，但表面粗糙度大的产品良品率更低一些。因此产品表面粗糙度对该质量问题有一定影响。

3.4 方法

3.4.1 手动控制与自动控制

产品在生产过程中使用自动控制程序，为了查找原因，采用手动模式生产，产品下线后检查，产品良品率明显提高，但仍有少量产品表面有白色物质附着，说明采用手动操作对改善产品质量有利。通过对手动操作和自动操作进行对比分析，发现主要区别在于手动操作时在水洗槽清洗的时间长于自动操作，说明白色物质为未清洗干净造成的。其次，手动操作需要操作者在生产线操作行车完成，因此不是解决问题的根本办法。

3.4.2 工艺流程分析

产品采用硫酸硬质阳极氧化工艺，生产过程中主要功能槽液涉及氢氧化钠、硝酸、硫酸、甘油、草酸等几种物质。为此笔者对前处理、氧化槽各个环节进行一一验证、排除。

1)验证是否因前处理不良造成的，分别对化学除油、碱蚀、出光等工序进行逐一验证；产品经前处理后，安排操作人员对尾翼孔加强清水冲洗，产品氧化后白色物质仍然存在。

2)验证是否因氧化槽溶液造成的，氧化槽液中含有硫酸、甘油、草酸，因甘油是无色、透明、粘稠液体，笔者认为可能是甘油未清洗干净造成表面有大量甘油物质残留，烘干后变成白色物质附着产品表面。通过验证，该白色物质仍然存在。

3)验证产品出氧化槽溶液后是否水洗干净，产品出氧化槽后笔者进行了对比试验，A组对尾翼孔加强清洗，B组正常清洗，发现加强清洗的产品表面没有白色物质附着，经过对装挂后产品的观察，发现是尾翼孔被挂具遮挡了孔的一端，形成了盲孔，氧化溶液清洗不净，残留的溶液与铝基体反应生成硫酸铝，干燥后形成了白色物质，从孔中流出来，附在产品表面。

3.4.3 装夹方式

产品采用专用钛合金挂具(见图2)进行装夹，产品有2个φ3 mm通孔，挂具依托2个孔，采用弹性装夹方式。观察该孔的位置，发现装夹后，该孔变成了盲孔(见图3)，里面存有液体。因此产品装夹的方式对产品有一定影响。

3.4.4 水洗

生产线的水洗，采用流动冷水洗，由于生产线使用的是地下水，颗粒物较多，流动水洗槽未定期清理，水中有大量悬浮物，对产品质量有一定影响。

3.5 环境

笔者跟班生产一段时间发现，环境温度对其没有太大影响，产品从首槽开始生产到最后一槽生产，产品质量状况没有明显差异。

3.6 测量

零件有2个尾翼孔，氧化后需要100%进行通止检验。操作人员在对产品的2个孔进行自检过程中发现，其中一个孔止规通过，孔检测不合格。操作人员改变零件装夹方向后，另一端的孔止规检测不合格。通过观察发现，检测不合格的孔，都是朝上的孔，该孔装夹后成为一个盲孔，孔中存留的功能溶液继续与基体反应，造成了孔变大。

4 改进措施

4.1 对阳极氧化工艺流程的改进

1)加强水洗。对生产线流动水洗槽中的水进行定期更换，保证水的洁净度，并加空气搅拌。

2)改进装夹。对钛合金挂具进行改善(见图4)，将装夹的挂具由圆锥型改为三角锥型，使产品装夹后，小孔内的溶液仍能自由流动，保证水洗时能将孔内残留的酸碱溶液清洗干净(见图5)。

4.2 对机械加工过程的改进建议

建议机械加工过程控制产品的表面粗糙度，必要时表面进行抛光处理。

5 结语

经过试验，可以得出如下结论。

1)硬质阳极氧化膜附着白色物质的原因与零件装夹挂具有直接关系，产品装夹后两端的尾翼孔形成了2个盲孔，一端盲孔朝上，氧化溶液清洗不净，继续与基体发生反应形成硫酸铝，干燥后形成白色物质。

2)将挂具的接触位置由面接触改为了点接触，保证溶液在孔中自由流动，快速清洗干净氧化溶液。在生产过程中，技术人员应加强工艺过程的管控，深入现场，关注细节，加强生产线的日常管理以及生产过程中的综合治理工作，只有这样才能使工艺过程受控，保证产品质量稳定、可靠。