脉冲电源进行7075铝合金硬质阳极化的研究

脉冲电源进行7075铝合金硬质阳极化的研究

张倩1 王莹2

西安航空制动科技有限公司 陕西省兴平市 713100

摘要：7075铝合金材料属于锌、镁、铜合金，属于超硬铝系列中强度最好的，但由于合金含量高，它的抗蚀性相当差，硬质阳极氧化可以大大的提高7075材料的耐蚀性和耐磨性。使用新型脉冲电源代替传统直流电源可大大提高硬质阳极化膜层的性能，使用新型脉冲电源对7075铝合金进行铝合金硬质阳极氧化工艺的研究，对公司的铝合金耐磨零件使用7075材料具有实际应用价值。以7075铝合金为基础，研究了硫酸为基础电解液、电流密度以及氧化时间、脉冲方式等，阳极氧化工艺参数对7075铝合金氧化膜的硬度、耐磨性性能的影响。

关键词：脉冲电源；硬质阳极氧化；7075铝合金；膜层厚度

7xxx系铝合金由于其优良的性能，在飞机上应用越来越广泛，硬质阳极氧化可以大大提高7075铝合金材料的耐蚀性和耐磨性，研究7075铝合金材料硬质阳极氧化可以作为公司的技术储备。国外柯林斯衬套零件其中大量使用7075材料，表面处理要求硬质阳极氧化。7075材料由于其特殊性，与公司产品7A04材料硬质阳极化工艺参数有极大的不同，如果公司使用7075铝合金材料制造衬套，必须掌握7075铝合金硬质阳极氧化的工艺参数和影响因素，为公司在铝合金材料升级奠定表面处理的基础。

由于使用生产线的槽液进行工艺试验，与车间零件生产穿插进行，无法改变溶液浓度和成分、溶液温度，研究的内容有以下几个方面：电流密度和电压、电源脉冲方式和氧化时间对膜层的影响。

1．工艺试验部分

1.1试验仪器、药品及材料

实验仪器：KM1000A/110V电源           绍兴市承天电器有限公司

测厚仪 PHYNIX  Surfix FN 2.2 basic   德国菲尼克斯公司

Taber1750耐磨试验机                  美国Taber

实验药品： H2SO4           化学纯     天津市红岩化学试剂厂

试片：7075铝合金   100mm×100mm×4mm

1.2试验工艺流程

铝合金的硬质阳极氧化是一个较为复杂的过程，需要严格按照工艺路线进行试样制备。工艺流程按照下图1.1进行：

图1.1 硬质阳极化工艺流程图

1)装挂：使用钛合金夹具装挂，夹具与工件接触良好、夹持牢固、装挂时应防止夹伤或试片变形。

2)除油：碳酸钠(Na2CO3·10H2O)40~60ml 水玻璃( Na2SiO3·10H2O) 40~60ml氢氧化钠（NaOH）20～35g/L时间：3~5min，温度：60~70℃

3)弱腐蚀：氢氧化钠（NaOH）20～35g/L碳酸钠（Na2CO3·10H2O）20～30g/L   温度：40～50℃，时间：≤30S

4)清洗：先在流动冷水中清洗0.5~3min，然后在流动冷水中清洗0.5~3min。检查水膜30S不断裂。

5)硬质阳极化：硫酸：H2SO4（比重1.84）200~290g/l温度：-2~ -6℃

阳极电流密度：2～3A/dm2，阴极：铅棒或铅板

6）检测试验：在试片上进行膜层厚度检验和耐磨性检验。

1.3 试验过程

首先进行电源波形的试验，选择合适的电源波形，然后进行电流密度和氧化时间的试验。试验中先使用电流法进行试验，电流法分析出电压升压趋势，按照升压趋势进行电压法试验。

1.3.1电源波形试验

1.3.1.1直流波形

     使用直流波形电源，电流密度2.5A/dm2,，试片数量4片，在氧化至30分钟时产生了烧蚀，7075铝合金材料不适合使用直流波形电源。

1.3.1.2双脉冲波形

使用双脉冲波形电源，电流密度2.5A/dm2,，试片数量4片，脉冲正负比36uS:2.5uS，零件虽然氧化正常，但是在氧化50分钟时，挂具发热严重，温度过高，无法继续进行氧化，氧化膜生长速度也较慢，7075铝合金材料不适合使用双脉冲波形电源。

1.3.1.3直流叠加单脉冲波形

使用直流叠加单脉冲，电流密度2.5A/dm2,，试片数量4片，脉冲幅度20%，脉冲频率25HZ，氧化过程中未发生烧蚀，氧化68分钟，膜层厚度58～65μm

1.3.2升压方式试验

选定电源波形了之后使用直流叠加脉冲波形进行试验，采用恒流法进行，30分钟内将电流密度升到额定电流密度，使用恒流法画出升压曲线，分析出升压规律，再按照此种升压方式进行试验。

1.3.3试验数据

表1.1试验数据表

2试片试验

2.1膜层厚度试验

使用PHYNIX  Surfix FN 2.2 basic测厚仪对试片进行膜层厚度测量，膜层厚度试验数据见表1所示，膜层厚度和电流密度及氧化时间有线性关系，在适合的范围内电流密度和膜层厚度成正比，在最高电压范围内，氧化时间与膜层厚度成正比。

2.2耐磨性试验

耐磨性试验按照MIL-A-8625F中4.5.5节进行， 膜层厚度48.2～53.5μm的试片，磨损指数0.82满足MIL-A-8625磨损指数小于1.5的要求。

2.3试验结果

7075铝合金材料硬质阳极氧化通过试验，得到的最佳工艺参数，使用直流叠加脉冲电源波形，脉冲幅度20%，脉冲频率25Hz，升压方式采用电压法，氧化10分钟时升至20V，氧化60分钟时升至40V，膜层厚度约在50μm左右。膜层的厚度可以根据氧化的时间调整。氧化过程中需要注意的是最高电压不能超过40V，超过40V膜层会产生击穿和烧蚀。

3结束语

3.1电源的波形

由于7075铝合金合金成份的组成，含有Mg、Zn金属离子，适合使用直流叠加脉冲的电源波形，在直流电源上叠加25%的脉冲。瞬间提高电压，在氧化初期使铝合金表面能够形成快速形成氧化膜层，氧化过程中能够持续形成氧化膜。

3.2升压方式

    7075铝合金材料更适合升压法进行氧化，使用恒流法进行氧化，电压提升较慢，氧化速率较慢。使用升压法进行氧化，可以主动的提高电压，提高氧化膜生成的速率，减少氧化时间。

3.3升压速率

7075铝合金合金组成特点，氧化过程中电压不能太高，电压升高太快会击穿膜层。7075铝合金的氧化电压不能超过40V，6061和7A04等铝合金材料可以达到70V，所以这是7075铝合金与其它铝合金材料硬质氧化的最大区别，氧化时必须要注意氧化速率，在10分钟时将电压升至20V，氧化50μm的厚度在60分钟将电压升至40V。

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参考文献：

[1]朱祖芳.铝合金阳极氧化与表面处理技术[M]. 北京:化学工业出版社,2021.4.

[2]赵红锦.7075铝合金表面阳极氧化膜的制备及摩擦学性能的研究[D].青岛理工大学2018.12.

[3]杜裕杰,李斌林,赵学良[J]. 使用新型直流叠加脉冲电源提升硬质阳极化加工工艺研究,2018.05

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