铝合金阳极氧化膜结构、制备工艺及显微硬度的关系研究

摘要

铝合金的密度低、比强度高，具有良好的力学性能、良好的耐蚀性、优异的导电导热性和良好的铸造性能等，铝合金在工业领域应用十分广泛。为了提高铝合金的显微硬度，需要对铝合金进行阳极氧化的表面处理。传统阳极氧化工艺制备的铝合金阳极氧化膜的耐蚀性不高，强酸对氧化膜的溶解较强，且膜层的显微硬度普遍偏低。然而，混合酸阳极氧化工艺以其操作简单方便、成本低、可以进行现场常温处理、所制备的膜层的显微硬度较高的特点，在取代传统阳极氧化工艺方面有着明显的优点。因此，本论文研究开发了2024铝合金在硫酸-草酸混合电解液中制备阳极氧化膜的工艺。主要工作结果如下:
　　 1.采用硫酸-草酸混合电解液在2024铝合金表面制备了阳极氧化膜，研究了电流密度、氧化时间、硫酸浓度、草酸浓度、三乙醇胺浓度铝合金阳极氧化膜的显微硬度的影响，得到优化的氧化工艺为210g/LH2SO4，20g/L草酸，20g/L三乙醇胺，5ml/L乳酸，5ml/L丙三醇，1g/L苹果酸，2g/L硫酸铝，电流密度为2.0 A/dm2，氧化时间为50min。该工艺条件制备的铝合金阳极氧化膜的显微硬度为628.92HV，表面均匀，色泽均一，呈灰白色。在适宜的电流密度范围内，铝合金阳极氧化膜的显微硬度随之增加而增大，当电流密度超过了临界值时，膜层的显微硬度值不断减小。铝合金阳极氧化膜的厚度随着电流密度的增加而增大。沸水封闭后的铝合金阳极氧化膜的显微硬度值几乎都大幅度下降。
　　 2.随着氧化时间延长，铝合金阳极氧化膜的孔隙率会减小。随着氧化时间延长，氧化膜逐渐变厚。孔隙率的减小会导致显微硬度的测量值增大，即维氏硬度随膜厚的增加而增大。电流密度增大导致阳极氧化反应更剧烈，酸对膜层的场致溶解加强，孔隙率增大，导致氧化膜的正六角圆孔柱状胞点阵遭到破坏，膜胞之间出现间隙，膜层不能以一个连续整体来承受外加载荷，导致铝合金阳极氧化膜的显微硬度变小。膜胞规整度越高，点阵排布的连续性越好，氧化膜的显微硬度越大。
　　 3.铝合金阳极氧化膜的孔间距与电流密度近似为线性关系。孔径随着电流密度的增加而增大，大的电流密度对应于高的氧化电压，提供更大的氧化生长动力来形成更多的氧化物，孔壁被进一步挤压，氧化膜的孔径变得越来越大。电流密度的增加导致氧化电压增大，酸液对氧化膜的场致溶解加强，孔壁变薄，孔隙率随之增加而增大。
　　 4.通过研究不同电流密度制备的铝合金阳极氧化膜在3.5wt％NaCl溶液中浸泡不同时间的电化学阻抗行为，发现侵蚀性离子Cl-很容易通过未经封闭的铝合金阳极氧化膜的多孔层到达阻挡层，在交流阻抗谱上显示的是氧化膜阻挡层的信息，经沸水封闭的铝合金阳极氧化膜在中高频段的阻抗模值均比未封闭的氧化膜的阻抗模值高，表明进入孔内的沸水与孔壁和孔底的无水氧化铝发生反应生成水合氧化铝，体积膨胀将孔充分地封闭。铝合金阳极氧化膜的组织结构和致密性与氧化膜的硬度和屏蔽性都有密切关联，组织结构越均匀致密，膜层的显微硬度越高，屏蔽性也越好。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 铝及铝合金的概述

1．2 铝合金表面处理技术

1．3 铝合金阳极氧化反应

1．4 铝阳极氧化工艺的研究进展

1．4．1 硫酸法阳极氧化工艺

1．4．2 磷酸法阳极氧化工艺

1．4．3 草酸法阳极氧化工艺

1．4．4 铬酸法阳极氧化工艺

1．4．5 混合酸法阳极氧化工艺

1．5 铝阳极氧化膜的结构

1．6 阳极氧化膜的性能

1．6．1 氧化膜的多孔性

1．6．2 氧化膜的光性能

1．6．3 氧化膜的吸附性能

1．6．4 氧化膜的硬度

1．6．5 氧化膜的结合力

1．7 铝阳极氧化膜的自组织行为

1．8 铝阳极氧化膜的耐磨性能

1．9 铝阳极氧化膜的耐蚀性

1．10 论文的研究意义和研究内容

1．10．1 论文的研究意义

1．10．2 论文的研究内容

第二章 实验方法

2．1 前言

2．2 实验材料

2．3 阳极氧化工艺

2．4 铝合金阳极氧化膜的测试方法

2．4．1 氧化膜的外观检测

2．4．2 氧化膜厚度的测试

2．4．3 氧化膜显微硬度的测试

2．4．4 氧化膜表面形貌观察

2．4．5 氧化膜的孔隙率分析

2．4．6 氧化膜的相组成及化学成分分析

2．4．7 电化学性质测试

第三章 铝合金阳极氧化工艺及影响因素的研究

3．1 前言

3．2 铝合金阳极氧化膜的制备

3．3 实验结果

3．3．1 阳极氧化工艺的正交实验

3．3．2 阳极氧化工艺的优化

3．3．3 电流密度对氧化膜显微硬度的影响

3．3．4 电流密度对氧化膜厚度的影响

3．3．5 封孔后的正交实验

3．3．6 氧化膜的相组成分析

3．3．7 氧化膜的化学组成分析

3．4 本章结论

第四章 铝合金阳极氧化膜显微硬度与表面孔洞结构的关系

4．1 前言

4．2 硫酸-草酸阳极氧化工艺

4．3 实验结果

4．3．1 不同氧化时间制备的铝合金阳极氧化膜的表面形貌和显微硬度

4．3．2 不同电流密度制备的铝合金阳极氧化膜的表面形貌和显微硬度

4．4 本章结论

第五章 铝合金阳极氧化膜底面孔洞结构与电流密度的关系

5．1 前言

5．2 阳极氧化工艺及阴极逆电剥离和扩孔

5．3 实验结果

5．3．1 不同电流密度制备的铝合金阳极氧化膜的底面形貌

5．3．2 铝合金阳极氧化膜的底面孔间距与电流密度的关系

5．3．3 铝合金阳极氧化膜的底面孔径与电流密度的关系

5．3．4 铝合金阳极氧化膜的底面孔隙率与电流密度的关系

5．4 本章结论

第六章 铝合金阳极氧化膜的电化学阻抗性质

6．1 前言

6．2 电化学阻抗谱的测试

6．3 实验结果

6．3．1 铝合金阳极氧化膜的电化学阻抗谱的等效电路

6．3．2 未封闭的铝合金阳极氧化膜浸泡2h的电化学阻抗行为

6．3．3 沸水封闭的铝合金阳极氧化膜浸泡2h的电化学阻抗行为

6．3．4 2．0A／dm2制备的未封闭和沸水封闭的铝合金阳极氧化膜浸泡不同时间的电化学阻抗行为

6．3．5 3．0A／dm2制备的未封闭和沸水封闭的铝合金阳极氧化膜浸泡不同时间的电化学阻抗行为

6．3．6 2．0和3．0A／dm2制备的铝合金阳极氧化膜经沸水封闭后浸泡不同时间的电化学阻抗行为

6．4 本章结论

第七章 总结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者和导师简介