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6061铝合金材料通过硬质阳极氧化处理研究

2020-12-02 2095 上传者：管理员

摘要：6061铝合金材料通过硬质阳极氧化处理，使其表面产生一层氧化膜，可提高6061铝合金材料的硬度，增强其耐腐蚀性能及其耐磨性等。铝合金硫酸硬质阳极氧化后，金属表面会获得一层致密性氧化膜，不同的氧化时间会获得不同硬度和不同厚度的氧化膜层，从而导致铝合金表面的硬度及其耐腐蚀性也会有差异。采用维氏硬度测量仪和扫描电镜（SEM）分析腐蚀机理，得出提高6061铝合金材料性能的工艺条件。

关键词：
6061铝合金
孔隙
耐腐蚀性
铝合金
阳极氧化膜
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铝合金在日常生活中极其常见，它的密度仅为2.702，因为其材质轻盈，强度高，价格低等优异性能，被广泛应用在汽车、航空、船舶、农业、电器、家具等各个领域中[1,2]。在海洋复杂环境中，铝合金表面极易腐蚀，从而破坏铝基表面，造成结构受损[3]。因此，通常把铝合金材料进行硬质阳极氧化处理，使其表面获得一层致密的硬质氧化膜，保护铝壳体在苛刻的海洋环境中使用[4,5,6,7]。但在实际应用中，铝合金壳体硬质阳极氧化过程中经常会出现氧化过度或者氧化不够充分，从而影响铝壳体的性能，因此有必要探讨硬质阳极氧化的工艺。

常见铝合金的硬质阳极氧化方法有铬酸阳极氧化、草酸阳极化、磷酸阳极氧化、硼硫酸阳极氧化、硫酸阳极氧化等[8,9]。本试验采用6061铝合金作为研究载体，选用硫酸硬质阳极氧化工艺，研究在不同氧化条件下的耐腐蚀性能，以及表面的孔隙分布情况，最后确定最佳氧化工艺条件。铝合金阳极氧化膜形成过程如下：

电解液中发生水解反应，

铝合金表面上生成氧化膜过程，

氧化膜被电解液溶解化学过程，

1、试验材料与方法

使用6061铝合金板材，铝合金的化学成分如表1所示。

表16061铝合金化学成分（%）

取6061铝合金材料样品3块，分别标记成样品a、样品b、样品c，然后将样品都加工成40mm×40mm×2mm，将各样品表面进行抛光、油渍清洗、去离子水清洗处理。采用直流电源恒流模式，以硫酸作为电解质，在硫酸电解液中进行硬质阳极氧化：电解液中电流大小为3.8A，温度均为室温；硫酸浓度为1mol/L，氧化时间分别为35、45、55min。然后将硬质阳极氧化后的试样依次置于无水乙醇和去离子水中清洗15min，烘干。

采用JSM-7800F扫描电镜（SEM）分别观察6061铝合金氧化膜的表面形貌结构分布。然后采用维氏硬度测量仪分别测试试样表面的硬度大小。再将样品进行耐腐蚀试验，比较样品的抗腐蚀性能。最后得到三种铝合金样品的最佳硬质阳极氧化工艺处理条件。

2、结果与讨论分析

2.1硬度与耐腐蚀性分析

采用维氏硬度测量仪依次在试样表面不同地方测量多个点，制备的硬质阳极氧化层硬度如表2所示。

表2不同位置测试结果均值

可见，6061铝合金材料在经过硬质阳极氧化处理后三种样品与原始样品的维氏硬度大小相比，未处理原始样品硬度是最低的，只有103.4Hv，明显小于经硬质阳极氧化处理后的样品，其中样品b的维氏硬度达到580.3Hv，其硬度大约提高了461%，这明显提高了6061铝合金材料的性能要求。由表2可以发现，硬质阳极氧化处理后的样品硬度大小：样品b>样品c>样品a。说明随着硬质阳极氧化时间的增加，6061铝合金材料的表面硬度值先增加后开始减小，氧化时间45min时，硬度值达到最大。

2.2阳极氧化的电压-时间曲线

在6061铝合金阳极氧化时，记录了阳极氧化过程中的电压随时间变化关系。其变化曲线关系见图1。

图16061铝合金硬质阳极氧化的电压—时间曲线

通过图1可以发现：在6061铝合金硬质阳极氧化开始阶段，其金属表面的电压急剧增加，当阳极氧化进行到3min后，电压增加速度开始趋于缓慢。通过分析表明，铝合金在硫酸溶液中阳极氧化过程中，首先在通电的开始阶段，金属表面会生成致密的薄膜层，从而会增大电阻，为了要保持电流恒定，使得电压增大。在阳极氧化5min后，电压就趋于平缓，保持稳定阶段。

当电压稳定一段时间后，电压出现下降趋势，则可见电阻减小，说明铝合金表面开始形成新的氧化层。这是因为电解液将原先的氧化层溶解后形成多孔（金属表面出现大量微小孔）现象，硫酸电解液通过多孔结构渗透到新的金属表面，使得金属表面继续电解生成新的氧化膜，当金属表面再一次生成一层致密的阳极氧化膜后，氧化层再一次隔断了电解液与金属表面的接触，则铝合金硬质阳极氧化过程趋于停滞阶段，即电压又开始趋于稳定阶段。

随着阳极氧化时间的增加，电压再次出现下降的趋势，说明电解液又开始氧化新的表面结构层，形成新的铝合金氧化层，从而使得氧化膜的厚度在不断的增加。并且根据曲线图可以发现，阳极氧化所需要的电压随着氧化层厚度的增加而增大，即电阻随着氧化层厚度的增加而增大。

2.3扫描电镜（SEM）观察

用扫描电镜分别观察3个样品的表面形貌，如图2所示。

图26061铝合金硬质阳极氧化膜的表面形貌

通过比较3种样品的结果，发现样品a和样品b的表面都比较的光滑平整，样品c的表面则出现部分小孔，且光滑平整度不如前面两种样品。6061铝合金材料表面生成一层致密的氧化膜，这层氧化膜光滑平整的覆盖在金属表面上，且表面孔隙也非常的小。随着阳极氧化时间的增加，金属表面则开始出现较大的孔径，使得表面形貌出现凹槽结构。且随着氧化时间的继续进行，各小孔的孔径都会增大，最后会出现多孔融合现象，导致更大的孔径生成，使得铝合金表面的硬度出现了下降。此时说明了铝合金材料硬质阳极氧化时间过长，反而会破坏表面的氧化膜结构。

2.4耐腐蚀性分析

将样品a,b,c分别浸泡在10%NaCl溶液中，进行盐雾腐蚀性模拟试验，具体试验情况如表3所示。

表36061铝合金材料硬质阳极氧化腐蚀试验情况

根据表3可见，样品b的耐腐蚀能力最佳，其余两种样品均出现不同程度的腐蚀现象。为了进一步的观察金属表面腐蚀现象的特征，则再将经盐雾试验后的3种样品分别置于扫描电镜下观察，得到的表面形貌如图3所示，其中图3中的编号(1)、(2)、(3)分别为三种样品的宏观外貌图，编号(4)、(5)、(6)分别为样品的微观结构图。

根据图3可见，样品c的表面形貌的孔径大小明显大于样品a和样品b，且样品c的孔隙数量也更多；样品b的表面形貌未出现明显的变化；样品a则出现了少部分的孔隙，且孔径也较小。由此可发现，6061铝合金材料在硬质阳极氧化时间为45min时，此时所表现的耐腐蚀性能最佳。

图36061铝合金硬质阳极氧化膜经盐雾试验后的表面形貌

3、结论

对于6061铝合金材料，在电流大小为3.8A，温度为室温，硫酸浓度为1mol/L的条件下，硬质阳极氧化时间在45min时，其铝合金材料的硬度达到最大，氧化膜表面的孔隙结构分布均匀，表面平整光滑，并且此时铝合金的耐盐雾腐蚀性能最佳。而随着阳极氧化时间的增加，6061铝合金表面的氧化膜的厚度也随之增大，但金属表面硬度会出现下降，并且耐腐蚀性也随之下降。

参考文献：

[1]朱祖芳.铝合金阳极氧化与表面处理技术(第2版)[M].北京:化学工业出版社,2010.

[3]冯驰,黄运华,申玉芳,等.6061铝合金与30CrMnSiA结构钢在模拟工业-海洋大气环境下的电偶腐蚀防护[J].中国有色金属学报,2015,25(6):1417-1427.

[4]黄巍,李荻,郭宝兰,等.防锈铝合金耐氯化钠盐雾腐蚀行为的研究[J].材料保护,2005,38(6):52-54.

[5]周雅,刘炳根,邵志松,等.铝合金常温硬质阳极氧化工艺的研究[J].材料保护,2008,41(7):34-36.

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