摘要：为了避免传统封闭液的不利影响，公司硫酸阳极化使用一种无毒、无污染的METALAST TCP-HF环保型封闭液进行封闭。该种封闭液主要成分为Cr 3+盐，无毒、且操作温度低，便于维护。公司要求每年需要进行一次耐蚀性对比试验，即试片经阳极氧化封闭后，沈阳黎明航空发动机有限责任公司与美普惠实验室同时进行336 h的中性盐雾试验，若试验均通过，则允许继续加工零件，否则需要分析试验失败的原因，直到试验合格为止。
关键词：铝合金；硫酸阳极化；耐蚀性；
铝合金材料由于密度较小、导电和导热性能良好在航空航天领域中应用广泛。在自然条件下，铝合金材料表面会形成致密的氧化膜，有一定的耐腐蚀能力。但在实际使用条件下，若不采取适当的防护措施，铝合金材料仍然会发生腐蚀。为了提高铝合金材料的耐腐蚀能力，满足使用需求，通常采用硫酸阳极氧化的方法对铝合金表面进行防护。
一、试验
1.硫酸阳极化工艺流程。硫酸阳极化的工艺流程为：来件检查→有机溶剂除油→水基清洗→冷水洗→水膜检查→碱腐蚀→热水洗→冷水洗→光泽→冷水洗→水膜检查→硫酸阳极化→冷水洗→METALAST TCP-HF填充→冷水洗→热水洗→吹干。
2.试验材料。耐蚀性试验采用2024-T3的试片进行，化学成分（质量分数）为4.51%Cu，1.36%Mg，0.55％Mn，0.26%Fe，0.14%Zn，0.09%Si，余量为Al，试片尺寸为254 mm×76 mm×(0.64~1.6)mm，每组试验需要5个试片。由于2024铝合金组织中CuAl 2和Al 2 CuMg等富Cu相的存在，使其耐蚀性明显低于其他铝合金材料，因此采用2024-T3铝合金考察硫酸阳极化工艺的耐蚀性，若采用2024材料通过耐蚀性试验，表明该工艺满足耐蚀性要求。
3.试验方法。耐蚀性采用336 h的中性盐雾试验，盐溶液浓度为5%±1%NaCl（质量分数），pH为6.5~7.2，喷雾量为（1.0~2.0）mL/（80 cm 2?h），试验温度为(35±2)℃。评价标准：在任何194 cm 2的试验面积上，允许有5个直径不超过0.8 mm的离散点或凹坑；在总数968 cm 2的试验面积上，允许有15个直径不超过0.8 mm的离散点或凹坑。硫酸槽液、封闭槽液中的Cu 2+、Fe 2+、Al 3+等杂质含量采用等离子原子吸收光谱检测。封闭液槽液含量采用分光光度计检测。
二、原因分析
1.试片表面质量对耐蚀性的影响。由于耐蚀性试验失败，首先查看了使用的试片。该试片生产厂商为KAISER ALUMINUM，之前一直使用该厂家生产的试片，均未出现问题。从库房随机领取同批次的试片，目视观察试片表面未见明显异常，但在50倍的放大镜下观察其中一试片，试片表面有划伤、颜色发暗的痕迹，并对缺陷位置进行标记编号。使用该组试片进行硫酸阳极化，工艺流程、槽液成分含量以及操作条件与之前保持一致。放入盐雾试验箱经过336 h后观察试片表面形貌。可以看出，实验前划伤、颜色发暗区域均出现不同程度的腐蚀，其余试片表面也存在类似情况，因此试片表面出现的划伤等现象是耐蚀性试验失败的可能原因之一。
2.前处理工艺对耐蚀性的影响。由于2024铝合金中含有硅、铜、锰元素，经碱腐蚀后，零件表面存在大量黑色挂灰。若挂灰处理不净，会导致膜层疏松，从而影响阳极化膜的质量，致使耐蚀性试验失败。用之前的前处理工艺流程：来件检查→有机溶剂除油→碱腐蚀→热水洗→冷水洗→光泽→冷水洗→水膜检查，戴上白色布手套触摸前处理后试片，白色手套未有黑色挂灰残留，说明试片已被处理干净，但试片表面不均匀，出现花斑现象。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆花斑现象存在的可能原因是由于零件表面的油污没有被完全去除，而影响碱腐蚀效果造成的。因此调整前处理工艺路线，在有机溶剂后增加水基除油（槽液成分及含量为Turco 4215 NC-LT 45~60 g/L，槽液温度为45~55℃，时间为5~10 min）工序，再通过水膜检查评判除油效果，试验证明增加除油工序后试片表面均匀干净。
3.硫酸含量及其工艺参数对耐蚀性的影响。耐蚀性试验失败的试片于2017年12月16日加工，复查硫酸阳极化槽液化验分析报告及流水卡片。其槽液含量和操作参数均满足工艺规程的要求。考虑到硫酸槽液的使用过程中，由于铝及其他金属的溶解，使槽液中有害杂质会不断积累，对氧化膜影响较大的杂质有Al 3+、Cu 2+、Cl?、Fe 2+等。对于普通阳极氧化工艺，溶液中允许最大的杂质含量为Al 3+≤25 g/L、Cu 2+0.02 g/L、Cl?≤0.2 g/L、Fe 2+≤0.2 g/L。当溶液中Al 3+、Cu 2+、Cl?、Fe 2+等杂质离子含量过高时会影响氧化膜的吸收能力及耐蚀性[14-15]。Al 3+、Cl?含量均小于规定值，但槽液中的Cu 2+、Fe 2+没有进行监控分析，从槽液中取出100 mL溶液采用等离子吸收光谱进行分析，Cu 2+含量为0.0204g/L、Fe 2+含量为0.0242 g/L，溶液中只有Cu 2+含量超过要求范围。Cu 2+离子含量的增高影响氧化膜的色泽、透明度、耐蚀性，易使膜层产生黑斑或黑色条纹，从而影响膜层的耐蚀性。从耐蚀性试验后试片出现大量的黑色小点可以判断，硫酸槽液中Cu 2+含量过高是导致耐蚀性试验失败的可能原因。
4.封闭液对耐蚀性的影响。公司硫酸阳极化使用一种无毒、无污染的METALAST TCP-HF环保型封闭液进行封闭，该种封闭液主要成分为Cr 3+盐，无毒、且操作温度低，属于一种常温封闭液。在正常产生中，定期对封闭液进行分析，体积分数控制在25%~28%之间，pH值要求3.5~3.9。检查2017年12月16日当天封闭液分析报告：体积分数为27.33%，pH为3.54，均符合要求。考虑到生产过程中基体材料的溶解，对封闭液中可能的杂质离子Al 3+、Cu 2+、Fe 2+、Zn 2+进行了分析，旧槽液中的杂质离子明显增多，封闭液中杂质离子的存在影响氧化膜的封孔效果，从而导致耐蚀性降低。
5.氧化膜层厚度对耐蚀性的影响。硫酸槽液含量、温度及电压一定时，氧化膜层的厚度与时间有关系。由于铝合金阳极化过程是氧化膜增长和溶解同时进行的，在最初阶段，膜厚增长速度大于溶解速度，膜厚随时间而增加，同时溶解速度也随时间而增大。当成膜速度与膜层溶解速度相当时，膜层的厚度将不会增长，膜厚会随着时间的延长而减少，因此在实际生产中要控制阳极化的时间可获得需要的膜层厚度。阳极化膜层厚度薄时，耐蚀性试验合格率较低，在实际生产中，当阳极化膜层厚度大于0.007 mm时，耐蚀性试验合格。经查耐蚀性试验失败的试片氧化膜层厚度在0.008~0.011 mm范围内，因此排出膜层厚度对耐蚀性的影响。
三、改善对策
1.对盐雾试片的控制要求。重新采购耐蚀性试验所用的盐雾试片，确保试片保护膜完整无破损，试片表面无划伤及腐蚀点。同时编制盐雾试片控制程序，操作者在使用前必须进行检查，保护膜不完整，试片表面划伤、腐蚀不允许使用。
2.优化铝合金硫酸阳极化前处理工艺。更改硫酸阳极化总程序，在有机溶剂除油后、碱腐蚀前增加水基除油工序，将试片表面的油污彻底清除，避免试片或零件表面出现因除油不净而造成的花斑现象，避免氧化膜层疏松，以提高膜层质量。优化后的前处理工艺流程为：来件检查→有机溶剂除油→水基除油→碱腐蚀→热水洗→冷水洗→光泽→冷水洗→水膜检查。
3.硫酸槽液杂质的控制要求。更改硫酸阳极化总程序，增加对硫酸槽液、封闭槽液中杂质离子的控制要求。通过对硫酸槽液、封闭槽液中杂质的控制，提高氧化膜层质量，从而保证耐蚀性试验合格。
总之，铝合金材料质量轻、机械性能优异、导电导热性能良好，越来越多的产品选用铝及铝合金作为基体材料，并对其进行硫酸阳极氧化处理以提高其耐腐蚀性能及与漆层结合能力。由于产品基体材料状态的差异、工艺参数范围不同以及使用环境的差异，在日常生产中硫酸阳极氧化膜层经常发生各种质量问题。高温环境会降低硫酸阳极氧化膜层的耐腐蚀性能，选用硫酸阳极氧化作为表面处理的零件应充分考虑到零件使用环境及其耐腐蚀性能需求。
参考文献
[1]李宝龙,浅谈铝合金硫酸阳极化耐蚀性试验失败原因分析.2017.
[2]王燕瑞.铝阳极氧化机理的研究进展.2017.
论文作者:陈桂洪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/16
标签：阳极论文; 硫酸论文; 试片论文; 耐蚀论文; 铝合金论文; 表面论文; 杂质论文; 《防护工程》2018年第36期论文;