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硬質(zhì)陽極氧化處理
新井 元彥
1、序
在陽極氧化皮膜中，具有優(yōu)良皮膜硬度和耐磨性的皮膜叫做硬質(zhì)陽極氧化皮膜，多用在工業(yè)機(jī)械上和運(yùn)動(dòng)部或流體接觸的需要耐磨性和硬度的部分。
我國(guó)的硬質(zhì)鋁氧化大概從昭和25年開始在一些研究者和工廠技術(shù)人員中嘗試，此時(shí)還沒有關(guān)于硬質(zhì)氧化的明確定義，開始只是按照比普通氧化膜硬的品質(zhì)式樣進(jìn)行處理的。然后，隨著工業(yè)處理方法的確立，品質(zhì)性能的標(biāo)準(zhǔn)也開始明確。作為處理對(duì)象的鋁合金，為了提高機(jī)械性能和加工性能添加了多種合金成分，這些合金給硬質(zhì)氧化造成了一定困難。
本講中，參照1995年制定今年8月修訂的JIS H8603[鋁及鋁合金的硬質(zhì)氧化皮膜]對(duì)一些必要的事項(xiàng)進(jìn)行解說，希望對(duì)使用硬質(zhì)氧化產(chǎn)品時(shí)有所幫助。
2、鋁合金和硬質(zhì)皮膜
陽極氧化皮膜由于是鋁材本身作陽極得到的，鋁合金材料對(duì)皮膜的性能救護(hù)有很大影響。硬質(zhì)氧化的皮膜大多在50?左右，與一般的氧化膜的10?相比更能反映素材的性質(zhì)，而表現(xiàn)為皮膜性能差異。在JIS H8603規(guī)格中根據(jù)素材性質(zhì)將皮膜分為5類，來表示皮膜性能差異。表1是最據(jù)代表性的硬質(zhì)皮膜種類。
注）工業(yè)中常用鋁合金在JIS規(guī)格分類中的歸屬。
鋁合金根據(jù)添加的合金分為1000系列～7000系列，根據(jù)其特長(zhǎng)可以分別使用。 1類合金指能獲得良好硬質(zhì)皮膜的合金。
2類（a）的2000系列以硬鋁（2017）和超硬鋁（2024）為代表，具有于鋼相匹敵的強(qiáng)度，但是為了增強(qiáng)強(qiáng)度添加的銅，作為CuAl2對(duì)硬質(zhì)皮膜有影響，無法得到性能良好的皮膜。只有在處理方法上進(jìn)行各種改善�；蛟谏厦鎵貉颖砻嫣幚硇阅芰己玫匿X合金再進(jìn)行氧化。
2類（b）的7000系列合金含鋅和鎂，以超超硬鋁（7075）為代表具有最高強(qiáng)度的鋁合金。硬質(zhì)氧化時(shí)合金成分會(huì)溶解難以得到性能良好的皮膜。5000系列中的2類（b）指定的合金含有大量鎂，氧化時(shí)鎂會(huì)溶解難以得到性能良好的皮膜。
3類（a）中制定的材料是鑄造鋁和壓鑄鋁，銅不到2％，硅不到8％，是鑄造鋁和壓鑄鋁中表面處理性能較好的材料。
3類（b）中制定的材料合金成分添加量大，表面處理特別困難，皮膜性能由合作雙方商定。
3．硬質(zhì)氧化處理
新井 元彥
硬質(zhì)皮膜比普通皮膜厚、硬，處理方法是盡量有效、快速的生成皮膜厚度，并且要組合具有生成硬質(zhì)皮膜條件的溶液和此處理?xiàng)l件。處理法方法一般：1）增大陽極氧化的電流密度，加快氧化速度2）降低電解液的溫度，抑制皮膜的溶解。隨著電解的進(jìn)行膜厚逐漸增加，處理電壓也要隨之升高。處理電壓升高，孔徑增大，孔數(shù)減少，孔壁增厚，皮膜變硬。表2 是代表性的硬質(zhì)氧化處理方法。
除這些處理方法外，還有有機(jī)酸混合法、芳香族磺酸或改變電源波形的電流反轉(zhuǎn)法等，根據(jù)皮膜的用途和目的選擇使用。另外，還有皮膜溶解少可以在常溫下處理的溶液。
4．硬質(zhì)皮膜性質(zhì) 4．1皮膜厚度
皮膜厚度使用平均值，以防止合金導(dǎo)致的厚度不均。硬質(zhì)氧化的國(guó)外規(guī)格：標(biāo)準(zhǔn)50?，誤差±10?。膜厚制定為100?時(shí)，誤差范圍不變。硬質(zhì)氧化厚度只有普通氧化膜的1/3~1/2,在材料的外測(cè)成長(zhǎng)，需要注意對(duì)產(chǎn)品尺寸的影響。
4．2皮膜顏色
硬質(zhì)皮膜的顏色根據(jù)合金種類、處理方法、厚度不同。根據(jù)硫酸溶液標(biāo)準(zhǔn)法處理A1100時(shí)，皮膜的顏色隨著膜厚的增加，呈淡灰色?灰褐色?濃灰褐色變化。根據(jù)合金種類，一般呈現(xiàn)暗灰色或黑褐色。不過，直交重疊法或電流反轉(zhuǎn)法得到的皮膜顏色比較淡。
4．3表面粗糙度
通常隨著膜厚的增加而變得粗糙。電解液溫度越低，電流密度越高，越粗糙。另外，直交重疊法或改變電源波形的電解法得到的皮膜表面較粗糙。因此當(dāng)指定處理后的粗糙度時(shí)，在處理前需要將粗糙度調(diào)整至指定粗糙度的1/2。
4．4皮膜硬度
從皮膜用途來看，硬質(zhì)皮膜最重要的就是耐磨性，也就是耐磨性。硬質(zhì)皮膜是素材被氧化為氧化膜形成的，因此硬度受合金種類、電解液、處理?xiàng)l件影響較大。人們根據(jù)合金種類研究了各種處理方法，以提高皮膜的性能，JIS中的材質(zhì)皮膜硬度幾乎是固定的。
在陽極氧化處理工藝中，不溶解的元素：硅、鉛；溶解但以氧化物或其他不溶性化合物存在的元素：鎂、鋅；溶解性強(qiáng)，不會(huì)在皮膜中以安定 化合物存在的元素：銅、鎳等添加成分的影響會(huì)殘留在氧化皮膜中。
JIS中規(guī)定硬質(zhì)皮膜的硬度進(jìn)行斷面測(cè)定。素材硬度越高，表面硬度越低。皮膜越厚，
新井 元彥 此差越大。因此測(cè)量要在皮膜中央進(jìn)行。
4．5耐磨耗性
耐磨耗性大多使用平板旋轉(zhuǎn)磨耗試驗(yàn)（taper磨耗試驗(yàn)），JIS中使用往復(fù)運(yùn)動(dòng)平板摩擦和噴射磨耗試驗(yàn)，平板旋轉(zhuǎn)摩耗實(shí)驗(yàn)，三種方法任選其一。磨耗狀態(tài)多種多樣，耐磨耗試驗(yàn)也要根據(jù)其使用選擇相應(yīng)的試驗(yàn)方法。平板旋轉(zhuǎn)摩擦是在一個(gè)方向上的褶動(dòng)磨耗實(shí)驗(yàn)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)平面磨耗反轉(zhuǎn)、反復(fù)褶動(dòng)磨耗方向的實(shí)驗(yàn)，噴射磨耗則是在一定壓力下噴射人造研削材料的實(shí)驗(yàn)。
陽極氧化皮膜容易受濕度影響，求磨耗導(dǎo)致的重量減少量時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境特別是適度管理有要求。往復(fù)運(yùn)動(dòng)平面磨耗試驗(yàn)和噴射磨耗實(shí)驗(yàn)使用的磨耗機(jī)、研磨紙、研磨劑、實(shí)驗(yàn)時(shí)期、環(huán)境都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)變動(dòng)，所以每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果缺乏相關(guān)性。為解決這個(gè)問題，JIS中采用了耐磨耗試驗(yàn)基準(zhǔn)試驗(yàn)片（H8601附屬書1），用基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)片的測(cè)定值和比率表示。另外，硬質(zhì)皮膜除對(duì)耐腐蝕性有要求外，一般不僅行封孔處理。因?yàn)榉饪滋幚砘貙?dǎo)致耐磨耗性降低。
表3表示的是在平板旋轉(zhuǎn)磨耗實(shí)驗(yàn)中，封孔處理對(duì)耐磨耗性的影響。表4往復(fù)運(yùn)動(dòng)平面磨耗、噴射磨耗、平板旋轉(zhuǎn)磨耗的相互關(guān)聯(lián)。表5各種材料和硬質(zhì)皮膜耐磨性的比例關(guān)系。 表3皮膜硬度和平板旋轉(zhuǎn)摩擦 注）平板摩擦根據(jù)CS-17。封孔鎳鹽90℃·20分
新井 元彥
4．6耐腐蝕性
硬質(zhì)氧化皮膜厚耐腐蝕性很高。除非需要一般不作封孔處理。封孔處理會(huì)降低耐磨耗性。
因此，對(duì)耐腐蝕性有要求時(shí)，可以進(jìn)行低溫封孔或鉻酸封孔。耐腐蝕性試驗(yàn)一般用鹽霧實(shí)驗(yàn)，判定方法由合作雙方商定。
4．7絕緣力
50?的氧化膜電阻在20℃時(shí)，為4×1015ohm/cm，在各種絕緣材料中是最高的。根據(jù)利用絕緣性的目的，測(cè)試方法有所不同，JIS中指定絕緣力實(shí)驗(yàn)法（JIS H8687）。 表
6皮膜厚度和絕緣破壞電壓（JIS法）
30分 4．8熱傳導(dǎo)性和耐熱性
硬質(zhì)氧化皮膜的熱傳導(dǎo)性特別小。皮膜在短時(shí)間加熱可以耐2000℃高溫，防止素材融化。持續(xù)加熱到200℃，皮膜性質(zhì)無變化。
注）1在當(dāng)事者雙方選擇 2根據(jù)當(dāng)事者雙方的協(xié)定 3跟耐磨耗性基準(zhǔn)片的比（%）
5．其他事項(xiàng) 5．1零件加工
硬質(zhì)處理的零件除非式樣書上以有規(guī)定，一般都是在熱處理、機(jī)械加工、溶接、成形等
新井 元彥 處理厚進(jìn)行陽極氧化。
5．2關(guān)于和重要部分的接點(diǎn)mark
硬質(zhì)氧化和普通氧化皮膜不同，需要在高電流下長(zhǎng)時(shí)間電解，需要一個(gè)結(jié)實(shí)的通電接點(diǎn)。所以需要制定產(chǎn)品功能性上重要和允許作接點(diǎn)的部分。
5.3拐角部分
陽極氧化對(duì)于銳角和內(nèi)角不能充分氧化，需要將其事先打磨為圓弧角，一般為了避免拐角處無法生成氧化膜，要根據(jù)需要的膜厚表8對(duì)拐角進(jìn)行打磨（圖1）。
5．4 masking
在不需要氧化膜的地方用1）用橡膠或塑料的防氧化栓2）涂特殊的涂料3）粘膠布等方法進(jìn)行遮蔽。
5．5潤(rùn)滑性的賦予
為提高硬質(zhì)皮膜褶動(dòng)磨耗初期的 ，降低摩擦系數(shù)，提高耐久性，在硬質(zhì)皮膜上浸漬或吸附各種潤(rùn)滑劑、分散固體潤(rùn)滑劑形成涂層。
注）MIL A8625 TYPE Ⅲ 硬質(zhì)皮膜表示值
6．結(jié)尾
今年8月修訂的JIS H8603中已取消工業(yè)限定，硬質(zhì)氧化今后可以用在個(gè)多產(chǎn)品上。因此，處理金屬的性質(zhì)會(huì)有所增加，皮膜性能也會(huì)繼續(xù)增加。
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