硬質(zhì)陽極氧化是一種厚膜陽極氧化法，這是一種鋁和鋁合金特殊的陽極氧化表面處理工藝。此種工藝，所制得的陽極氧化膜最大厚度可達(dá)250微米左右，在純鋁上能獲得1500kg/mm2的顯微硬度氧化膜，而在鋁合金上則可獲得400～600kg/mm2的顯微硬度氧化膜。其硬度值，氧化膜內(nèi)層大于外層，即阻擋層大于帶有孔隙的氧化膜層，因氧化膜內(nèi)有松孔，可吸附各種潤滑劑，增加了減摩能力，氧化膜層導(dǎo)熱性很差，其熔點(diǎn)為2050℃，電阻系數(shù)較大，經(jīng)封閉處理（浸絕緣物或石蠟）擊穿電壓可達(dá)2000V，在大氣中較高的抗蝕能力，具有很高的耐磨性，也是一種理想的隔熱膜層，也有良好的絕緣性，并具有與基體金屬結(jié)合得很牢固等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在國防工業(yè)和機(jī)械零件制造工業(yè)上獲得及其廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用于要求高耐磨、耐熱、絕緣性能好等的鋁和鋁合金零件上。如各種作為圓筒的內(nèi)壁，活塞、汽塞、汽缸、軸承、飛機(jī)貨艙的地板、滾棒和導(dǎo)軌、水利設(shè)備、蒸汽葉輪、適平機(jī)、齒輪和緩沖墊等零件。用硬質(zhì)氧化工藝來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鍍硬鉻鍍層，與硬鉻工藝相比它具有成本低，膜層結(jié)合牢固，鍍液，清洗廢液處理方便等優(yōu)點(diǎn)。但此工藝所得膜層的缺點(diǎn)是膜層厚度較大時(shí)，對(duì)鋁和鋁合金的機(jī)械疲勞強(qiáng)度指標(biāo)有所影響。

   硬質(zhì)陽極氧化電解方法很多，例如：硫酸、草酸、丙二醇、磺基水楊酸及其它的無機(jī)鹽和有機(jī)酸等。所用電源可分為直流、交流和交直流疊加電源等幾種，目前廣泛應(yīng)用的有下列兩種硬質(zhì)陽極氧化。

（1）硫酸硬質(zhì)陽極氧化直流法；

（2）草酸硬質(zhì)陽極氧化交直流重選法。

其中，硫酸法是目前得到較廣泛應(yīng)用的一種硬質(zhì)氧化法。

1  硬質(zhì)陽極氧化原理

鋁合金硬質(zhì)陽極氧化原理，就是在電場(chǎng)的作用下，加速鋁合金表面氧化膜的形成即用鉛板作陰極，鋁合金制作陽極，稀硫酸溶液作電解液，當(dāng)通過直流電時(shí)，H+便向陰極移動(dòng)，產(chǎn)生陰極反應(yīng)：

                             4H2+4e=2H2↑

而OH-便向陽極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生陽極反應(yīng)：

                                4OH－－4e=2H2O+2O↑

當(dāng)在陽極上失去多余的電子，所析出的氧呈原子狀態(tài),由于原子狀態(tài)的氧要比分子狀態(tài)的氧更為活潑，更易與鋁起反應(yīng)：

                          2A1+3O→A12O3

上述—反應(yīng)在鋁和鋁合金制件表面是均勻地，同時(shí)進(jìn)行地。

   氧化膜隨著通電時(shí)間的增加，電流增大而促使氧化膜增厚。與此同時(shí)，由于（Al2O3）的化學(xué)性質(zhì)有兩重性，即它在酸性溶液中呈堿性氧化物，在堿性溶液中呈酸性氧化物。無疑在硫酸溶液中氧化膜液發(fā)生溶解，只有氧化膜的生成速度大于它的溶解速度，氧化膜才有可能增厚，當(dāng)溶解速度與生成速度相等時(shí)，氧化膜不再增厚。當(dāng)氧化速度過分大于溶解速度時(shí)，鋁和鋁合金制件表面易生成帶粉狀的氧化膜。

   硬質(zhì)陽極氧化的電解液時(shí)在-10℃～+5℃左右的溫度下電解。由于硬質(zhì)陽極氧化所生成的氧化膜層具有較高的電阻，會(huì)直接影響到電流強(qiáng)度的氧化作用。為了取得較厚的氧化膜，勢(shì)必要增加外電壓，其目的是為了消除電阻大的影響，而使電流密度保持一定，但電流較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生激烈的發(fā)熱現(xiàn)象，加上生成氧化膜時(shí)會(huì)放出大量的熱量，使零件周圍電解液溫度劇烈上升，溫度上升將會(huì)加速氧化膜的溶解，使氧化膜無法變厚。另外，發(fā)熱現(xiàn)象在膜層與金屬的接觸處最嚴(yán)重，如不及時(shí)解決，加工零件的局部表面會(huì)因溫度上升而被燒壞。

解決辦法，就是采用冷卻設(shè)備和攪拌相結(jié)合。冷卻設(shè)備使電解液強(qiáng)行降溫，攪拌是為了使整槽電解液溫度均勻，以利于獲得較高質(zhì)量的硬質(zhì)氧化膜。

2  硬質(zhì)陽極氧化法工藝要求

為了得到質(zhì)量較好的硬質(zhì)陽極氧化膜，并能保證零件所需要尺寸，必須按下列要求來進(jìn)行加工。

2.1  銳角倒圓

被加工零件不允許有銳角、毛刺以及其它各種尖銳的有棱角的地方因?yàn)橛操|(zhì)氧化，一般陽極氧化時(shí)間均是很長的，而且氧化過程（A1+O2→A12O3+ Q ）本身就是一個(gè)放熱反應(yīng)。又由于一般零件棱角的地方往往又是電流較為集中的部位所以這些部位最易引起零件的局部過熱，使零件被燒傷。因此鋁和鋁合金所有棱角均應(yīng)進(jìn)行倒角處理，并且倒角y圓半徑不應(yīng)小于0.5毫米。

2.2  表面光潔度

硬質(zhì)陽極氧化后，零件表面的光潔度是有所改變的，對(duì)于較粗糙的表面來說，經(jīng)此處理后可以顯得比原來平整一些，而對(duì)于原始光潔度較高的零件來說，往往經(jīng)過此種處理后，顯示的表面光潔光亮度反而有所降低，降低的幅度在1～2級(jí)左右。

2.3  零件尺寸的余量

因硬質(zhì)氧化膜的厚度較高，所以如需要進(jìn)一步加工的鋁零件或以后需要裝配的零件，應(yīng)事先留有一定的加工余量，及指定裝夾部位。

因硬質(zhì)陽極氧化時(shí)，要改變零件尺寸，故在機(jī)械加工時(shí)，要事先預(yù)測(cè)，氧化膜的可能厚度和尺寸公差，而后在確定陽極氧化前的零件實(shí)際尺寸，以便處理后，符合規(guī)定的公差范圍。

一般來說，零件增加的尺寸大致為生成氧化膜厚度的一半左右。

2.4  專用夾具

因硬質(zhì)陽極氧化的零件在氧化過程中，要承受很高的電壓和較高的電流，一定要使夾具和零件能保持極良好的接觸，否則將因接觸不良而造成擊穿或燒傷零件接觸部位的毛病。所以要求對(duì)不同形狀的零件，以及零件氧化后的具體要求來設(shè)計(jì)和制造專用夾具。

2.5  局部保護(hù)

如在同一個(gè)零件上，既有普通陽極氧化又要有硬質(zhì)陽極氧化的部位因根據(jù)零件的光潔度和精密度來安排具體工序。通常首先進(jìn)行普通的陽極氧化，在進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化，把不需要進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化的表面加以絕緣，絕緣的方法有用噴槍或毛刷，將以配制好硝基膠或過氫乙烯膠涂抹于不需要處理的表面，絕緣層要涂的薄而均勻，每涂一層應(yīng)在低溫下干燥30～60分鐘共涂2～4層即可。絕緣膠的配制：

（1）硝基液（   Q98 －1）5份，紅色硝基液（Q04－3）1份（其中紅色硝基液可用少量甲基紅來代替），用X－1稀釋劑稀釋到工業(yè)粘度，刷涂為60～80s，噴涂為20～30s，（用四號(hào)粘度劑）。

（2）過氯乙烯膠液（G98－1）100克，紅色過氯乙烯防腐液（G52－1）15～20g，稀釋劑用X－3調(diào)到適當(dāng)粘度，一般為刷涂或浸涂。

（3）聚乙烯醇100克，香蕉水500cc。配制法：將聚乙烯醇溶解到香蕉水中，成膠液狀，刷涂于零件上需要絕緣的部位，室溫固化，大約4小時(shí)，如在60～70℃下烘干、30分鐘即可。

3  硬質(zhì)氧化工藝流程

鋁零件    化學(xué)除油（也可用超聲波除油）    清洗             中和          清洗             硬質(zhì)陽極氧化處理          清洗          熱水或蒸汽封閉                         成品

4  硫酸法硬質(zhì)陽極氧化的電解液配方及操作規(guī)范（見表1）

4.1  工藝配方

表        1    

名     稱
 配方1
 配方2
 配方3
 
硫酸D=1.84∕(g∕L)
 200～300
 15%
 10%
 
溫度∕℃
 0.5～5
 20～25
 25～100
 
槽端電壓∕V
 40～90
 25～60L
 由40～120L
 
——
 -8～10
 0
 -5～5
 
時(shí)間∕h
 2～2.5
 2
 2
 
攪拌
 需空氣攪拌
 需空氣攪伴
 需空氣攪伴
 

4.2 操作方法

（1）首先打開降溫設(shè)備，將電解液溫度降低到工藝所規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，陰極掛鉛版，然后把裝掛好的零件放置在陽極導(dǎo)電杠上卡緊，零件與零件之間，零件與陰極之間一定要保持較大的距離，絕對(duì)不能接觸。打開壓縮空氣電解液攪拌（注意：壓縮空氣一定要進(jìn)行除油處理）。

（2）送以直流電源，開始的電流密度一般為0.5A/dm2,在25分內(nèi)分5～8次逐步升高到2.5 A/dm2。以后保持電流密度2.5 A/dm2,均每隔5分鐘，調(diào)查一次電流開始電壓為8～12V，最終電壓可根據(jù)膜層的厚度和材料不同而定。

（3）在硬質(zhì)陽極氧化過程中，須經(jīng)常注意電壓和電流表，如發(fā)現(xiàn)有電流突然增加，電壓下降的現(xiàn)象，這說明零件膜層局部已溶解，應(yīng)立即關(guān)閉電源，檢查并取出溶解的零件，其它零件可繼續(xù)進(jìn)行氧化處理，電流可一次給足。

4.3 各種因素對(duì)氧化膜硬度和生長速度的影響

鋁和鋁合金表面上能否生成優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)氧化膜層，主要取決于電解液的成份濃度，溫度，電流密度，及其原材料的成分。

4.3.1  電解液的濃度

采用硫酸電解液進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化時(shí)，一般在10％～30％濃度范圍內(nèi)，濃度低時(shí)，氧化膜硬度高，特別是純鋁比較明顯，但對(duì)銅含量較高的鋁合金（CY12）例外。因?yàn)楹~量較高的鋁合金易生成CuAl2的化合物，這種化合物在氧化時(shí)溶解速度較快，極易燒毀鋁零件。所以一般不適合用低濃度的硫酸電解液，必須在高濃度（H2SO4在 300～400g/L）中進(jìn)行氧化處理或采用交直流電疊加法處理。

4.3.2  溫度對(duì)膜層的影響

電解液溫度對(duì)氧化膜的耐磨性影響極大，一般來說，如果溫度下降，那么鋁和鋁合金的陽極氧化膜耐磨性能就增高，這是由于電解液對(duì)于膜的溶解速度下降所造成的，為了獲得較高硬度的氧化膜。我們要掌握溫度在±2℃范圍內(nèi)進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化處理為好。

鋁零件     汽油洗滌     裝掛     涂絕緣膠     洗滌     出光      清洗   室溫硬質(zhì)陽極氧化    清洗     吹干     涂絕緣膠    卸掛具    封閉     成品

此工藝所得硬質(zhì)氧化膜質(zhì)量；外觀，膜層應(yīng)呈均勻的深黑色，蘭黑色或褐色；厚度，膜層約為50μm；硬度：硬膜度HV>300

4.4   該工藝具有以下特點(diǎn)

（1）該工藝規(guī)范較廣，包括槽液濃度范圍寬，工作溫度可以從0～30℃（較寬）允許電流密度由5～15 A/dm2,氧化30～90分，獲得的顯微硬度可達(dá)HV300～500，膜層50μm。

（2）本工藝特別使用于含銅5％以下的各種排號(hào)的鋁合金。

（3）適用于深盲孔內(nèi)表面氧化，可得較均勻得氧化膜。

（4）槽液維護(hù)方便，雖然蘋果酸價(jià)格較硫酸高，但不需要冷凍降溫設(shè)備，相對(duì)來講，生產(chǎn)成本較低的。

5  鋁合金磺基室溫硬質(zhì)氧化

5.1鋁合金磺基室溫硬質(zhì)氧化液組成及其工藝規(guī)范（見表2）

表        2

名      稱
 配方1
 配方2
 
硫酸 H2SO4（g∕L）
 10～15
 15～20
 
磺化蒽 C14H10(ml∕L)
 3.5～5
 7～9
 
檸檬酸（g∕L）
 ——
 40～50
 
乳酸（g∕L）
 30～40
 30～40
 
硼酸（g∕L）
 35～40
 ——
 
溫度 ∕℃
 18～30
 5～35
 
陽極電流密度∕ A/dm2
 10～20
 15～20
 
時(shí)間∕ min
 80～100
 90
 

1號(hào)配方比2號(hào)配方便宜，成本低，因硼酸價(jià)格比檸檬酸便宜。在相同溫度下（30～32℃），2號(hào)配方氧化膜質(zhì)量比1號(hào)好。1號(hào)配方含有硼酸，因硼酸溶解度較小，所以工作溫度不能小于15℃，否則要產(chǎn)生大量沉淀。

5.2  磺化蒽的制備與提純

5.2.1  粗蒽的純化

因粗蒽中含有一定量的煤焦油和水分，它們和粗蒽互相滲透混合成塊狀和粒狀而不是粉末狀的物質(zhì)，在磺化前必須除掉。否則，會(huì)影響氧化膜質(zhì)量。為確?；腔熨|(zhì)量，在粗蒽磺化之前，必須先進(jìn)行清洗，其方法如下：

（1）將煤油和粗蒽混合后放入蒸餾燒瓶內(nèi)，蓋上軟木塞，插上回液冷凝管，在甘油浴中回流了30分鐘；

（2）蒸餾后的上層清液倒入燒杯中冷卻至室溫，讓粗蒽結(jié)晶析出沉淀于燒瓶底部；

（3）進(jìn)行過濾，將濾物倒入原蒸餾瓶內(nèi)，繼續(xù)回流30分鐘；

（4）將蒸餾后溶液倒入燒杯中冷卻至室溫，讓粗蒽結(jié)晶沉淀，并反復(fù)安3),4)工序處理；（5）將第一次清洗過濾的粗蒽倒入蒸餾瓶內(nèi)，安1)～5)各道工序重復(fù)處理；

（6）將最后一次清洗過濾的粗蒽放在瓷瓶中晾干。

5.2.2  磺化過程

（1）按比例1：1的濃硫酸和純化過的粗蒽分別稱量 ，然后先放濃硫酸在燒杯中，用玻璃棒攪拌將粗蒽加入濃硫酸中，繼續(xù)不斷攪拌，直到無顆粒的均勻的糊狀為止。

（2）在加熱50～80℃下不斷攪拌，直至濃煙放出，在加熱升溫至120～150℃，直至混合成液態(tài)，并出現(xiàn)小氣泡冒出，待冷卻后，即成堅(jiān)硬的深黑色塊狀體。

（3）  加入所需量的去離子水，加熱溶解成水溶液（加熱溫度70～80℃）。

5.2.3  本工藝氧化液成分及其操作條件的影響

（1）磺化蒽濃度增加，工作電壓也增加，氧化膜硬度也增加，但氧化膜的厚度是隨著磺化蒽濃度增加而減少。

（2）硼酸濃度的影響：硼酸增加，電壓下降，但氧化膜的硬度和厚度有所增高，膜層孔隙率減少，因硼酸本身是一種弱酸，對(duì)氧化膜溶解?。涣硪环矫妫鹚嵩谘趸^程中，產(chǎn)生硼的氧化物和三氧化二鋁的同時(shí)結(jié)晶析出，所以硼酸添加能降低氧化膜的溶解率，提高氧化膜質(zhì)量。

但硼酸溶解度是隨著溫度升高而增加的，當(dāng)在15℃時(shí)，只能溶解3％左右，而在槽中硼酸含量大于4％～5％，對(duì)氧化膜的形成有利，所以槽液溫決不能低于18℃。

（3）乳酸的影響：因乳酸時(shí)帶羥基的有機(jī)弱酸（30g/L， pH=2.32）對(duì)氧化膜腐蝕較小，此外由于羥基的存在，使電解液顯出很強(qiáng)的還原性，能改善工作條件，防電解液在氧化過程中溫度升高，乳酸的影響也是隨著濃度的增加，電壓下降，氧化膜硬度略有下降。

(4）檸檬酸的影響：檸檬酸是三元有機(jī)酸，分三級(jí)電離，電離常數(shù)K值分別為8.4×10-4 ；1.8×10-5； 4×10-6， 電離度小，屬于弱酸，pH值較大，每升含有50g時(shí)pH=2.3，對(duì)氧化膜的溶解度小，所以若單用檸檬酸時(shí)，由于檸檬酸特性，在50℃以下膜層是致密無孔的柔軟鍍層。在此工藝中，因有相應(yīng)的游離硫酸和磺化蒽的存在，因此，在35℃以下能順利地進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化。

（5）電流密度的影響：電壓、氧化膜硬度和厚度都隨著電流密度增加而增加。

（6）溫度的影響：溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在工藝范圍內(nèi)，當(dāng)溫度低時(shí)，氧化膜硬度較高；溫度升高，厚度逐漸增加，硬度逐漸下降。

（7）時(shí)間影響：氧化時(shí)間延長對(duì)不同規(guī)格的鋁所生成的膜層硬度也不同，對(duì)鑄鋁、鍛鋁都較好；但對(duì)硬鋁、鋁銅合金反而不利。

6  硬質(zhì)陽極氧化的掛具設(shè)計(jì)及設(shè)備條件

6.1  硬質(zhì)陽極氧化掛具

硬質(zhì)陽極氧化掛具和夾具應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，以免制件在攪拌電解液時(shí)，被急流的溶液沖下來。此外，掛具應(yīng)有良好的接觸導(dǎo)電性能，重量要輕，堅(jiān)固耐用，裝卸制件方便，裝載量和零件布局應(yīng)有適當(dāng)?shù)囊?。硬質(zhì)陽極氧化掛具常用的有兩種類型：一種是具有壓緊螺釘?shù)膴A具，另一種是用螺栓連接夾板或夾具。其中所有與制件的觸點(diǎn)，均由鋁、鋁鎂合金和鋁硅鎂合金制成，除了制件接觸部位有導(dǎo)電要求外，其它部位都要與掛具絕緣處理，使其成為非導(dǎo)體，這樣可使陽極氧化過程都集中在制件上，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約掛具的金屬材料以及電能消耗。

6.2  硬質(zhì)氧化溶液的發(fā)熱和氧化膜再溶解問題

在氧化時(shí)工作表面通過較大電流，因氧化膜具有很大電阻，熱量大部分集中在氧化膜部位上。發(fā)熱量可用下列公式計(jì)算：

焦耳熱Q1=0.864×電壓×電流（千卡/小時(shí)）

氧化液發(fā)熱量Q2=2.334×電流（千卡/小時(shí)）

陽熱氧化反應(yīng)熱 2Al+3[O]→Al2O3+375800卡

總發(fā)熱量Q=(Q1+Q2)×1.1（千卡/小時(shí)）

根據(jù)上式可設(shè)計(jì)冷卻用冷凍設(shè)備，硬質(zhì)氧化發(fā)熱量必須迅速交換掉，如不及時(shí)冷卻，生成氧化膜不僅僅是化學(xué)溶解，而且也由于加入電場(chǎng)發(fā)生電化學(xué)溶解。這樣，就嚴(yán)重影響了膜層的表面光潔度，同時(shí)也使得厚度降低。因此，必須要有強(qiáng)制性冷卻措施，使電解液保持低溫，才能獲得較大硬度的氧化膜。

6.3  硬質(zhì)陽極氧化電器設(shè)備

硫酸硬膜直流法陽極氧化工藝只需要直流發(fā)電機(jī)或整流器，其中使用整流器效率較高，并要求設(shè)置恒電流控制，在膜生長時(shí)要設(shè)置電壓上升的自動(dòng)裝置。

7  封閉后處理

硬質(zhì)陽極氧化封閉應(yīng)在熱離子水或5％重鉻酸鹽溶液中進(jìn)行，室溫封閉為15～30分鐘，也有用無水的油或蠟在80℃下，封閉15～30分鐘。

8  硬度氧化質(zhì)量檢驗(yàn)

8.1  外觀

由于鋁材的不同和工藝不同，氧化膜外觀的顏色也不一樣，膜層由褐色，深褐色，灰色到黑色；電解液溫度愈低，氧化膜愈厚。不允許有燒焦或易攪拌的疏松膜層，也不允許因局部受熱使氧化腐蝕的光亮斑點(diǎn)和邊緣角部分膜層脫落的現(xiàn)象存在。整個(gè)零件表面，除夾具影響外，局部表面不得有無氧化膜的地方，允許包鋁板全件氧化膜出現(xiàn)小裂紋。

8.2  氧化膜厚度測(cè)試

從零件或試件正切取橫向試片在全相顯微鏡下測(cè)定厚度，也可用渦流測(cè)厚儀直接測(cè)出氧化膜厚度。

8.3  硬度測(cè)定

顯微硬度可以用顯微硬度計(jì)在橫向上測(cè)出，不應(yīng)低于300kg/mm2.。