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铝合金在低硫酸浓度电解液中硬质阳极氧化膜的制备研究

作　者: 邓丽虹
导　师: 魏晓伟
学　校: 西华大学
专　业: 材料学
关键词: 铝合金硬质阳极氧化低硫酸浓度生长方式性能
分类号: TG174.451
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本课题针对铝合金6061薄板在低硫酸浓度电解液中制备硬质阳极氧化膜进行研究。目的在于提高氧化膜厚度与硬度的同时,节约生产成本,减少环境污染。铝合金具有优良的性能,使用量最大、应用面最广。但铝活泼,腐蚀电位较负,全面腐蚀严重。因此需要进行阳极氧化或表面涂层,以扩大应用范围和延长使用寿命。传统硬质阳极氧化多采用硫酸含量15%～30%（wt.%）的电解液,成本高、不利于环保,并且要想进一步提高氧化膜的力学性能较困难。匈牙利学者曾在低硫酸浓度电解液中制备出性能优良的膜层,但在实际应用中未见推广。课题组前期对氧化工艺进行了研究,但未涉及生长方式。本课题在传统理论和前期工作的基础上,通过研究低硫酸浓度电解液中氧化膜的生长方式,以期获得高性能氧化膜的相关工艺。本文研究了硫酸浓度、氧化时间、氧化温度和电流密度等工艺参数对氧化膜生长方式、膜层厚度、硬度和表面粗糙度的影响。利用扫描电镜（SEM）和计算机显微图像分析仪（XJP-6A）对氧化膜微观形貌进行分析;采用能谱仪（EDS）对材料微区成分元素种类与含量进行检测;利用数字式覆层测厚仪（TT230）、电脑显示型手动转塔显微硬度计（MVC-1000JMT1）和TR200粗糙度仪测得氧化膜的厚度、硬度和表面粗糙度值。根据现有理论对本文的实验结果进行讨论分析,得出结果如下:⑴不同于传统多孔膜,氧化膜的生长可分为初期和后期两个阶段。初期阶段:氧化膜以颗粒的形式在基体表面局部区域产生并铺展。随着氧化时间的增加,颗粒氧化膜在未被氧化区域不断产生和铺展,最终覆盖整个表面,形成完整的Al₂O₃膜。后期阶段:在已生成颗粒氧化膜的交界面处,氧化膜在电场作用下溶蚀、击穿,传质并快速成膜。氧化膜以这种在交界面处交替生长的方式,快速增厚。⑵在氧化过程中:随着硫酸浓度的增加,氧化膜的厚度、硬度和表面粗糙度值均降低;随着氧化时间的延长,氧化膜的厚度、硬度和表面粗糙度值均增加;随着氧化温度的升高,氧化膜的硬度降低,厚度先增大后减小。结果表明:采用3%H₂SO₄（Wt.%）电解液,在氧化温度-2℃,电流密度4A/dm²的工艺条件下,氧化50min后制得的氧化膜性能优良,膜厚47μm,硬度510HV,表面粗糙度1.472。⑶6082活塞在3%H₂SO₄（Wt.%）电解液中,氧化温度-2℃,电流密度4A/dm²的工艺条件下,硬质阳极氧化70min,得到致密氧化膜。膜层表面最大硬度和膜层厚度可达520HV和90μm。该工艺在提高膜层性能的前提下,可减少生产成本,降低环境污染,顺应低碳社会发展的需要。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-35
  1.1 前言  9-10
    1.1.1 铝及铝合金的特性  9
    1.1.2 铝及铝合金的表面处理技术  9-10
  1.2 硬质阳极氧化膜的制备方法  10
  1.3 在硫酸电解液中硬质阳极氧化膜的制备方法  10-11
  1.4 硬质阳极氧化膜的相关理论  11-31
    1.4.1 硬质阳极氧化膜的反应过程  12
    1.4.2 硬质阳极氧化膜的结构模型的发展  12-15
    1.4.3 硬质阳极氧化膜的生长机理  15-31
  1.5 低硫酸浓度制备氧化膜的现状  31-33
  1.6 本课题的研究目标和主要工作  33-35
2 实验方法  35-39
  2.1 实验材料  35
  2.2 实验设备  35-37
  2.3 工艺流程及技术路线  37-39
    2.3.1 工艺流程  37
    2.3.2 实验技术路线  37-39
3 实验结果  39-55
  3.1 氧化膜初期的生长方式  39-49
    3.1.1 硫酸浓度的影响  39-43
    3.1.2 氧化时间的影响  43-46
    3.1.3 电解液温度的影响  46-48
    3.1.4 电流密度的影响  48-49
  3.2 氧化膜后期的生长方式  49-50
  3.3 氧化膜的厚度、表面粗糙度和硬度  50-55
    3.3.1 硫酸浓度的影响  50-52
    3.3.2 氧化时间的影响  52-53
    3.3.3 电解液温度的影响  53-55
4 结果讨论与分析  55-75
  4.1 关于氧化膜的初期生长  55-64
  4.2 关于氧化膜的后期生长  64-72
  4.3 关于氧化膜的厚度、表面粗糙度和硬度  72-75
    4.3.1 硫酸浓度的影响  72-73
    4.3.2 氧化时间的影响  73-74
    4.3.3 电解液温度的影响  74-75
5 低硫酸浓度硬质阳极氧化工艺在实际生产中的应用  75-77
  5.1 氧化设备和零件（小型活塞）  75-76
  5.2 工艺实际生产应用  76-77
结论  77-78
参考文献  78-84
攻读硕士学位期间发表学术论文及科研成果  84-85
致谢  85-86

铝合金在低硫酸浓度电解液中硬质阳极氧化膜的制备研究

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