铝合金铬酸阳极化明暗条纹产生原因及解决措施

姜银松，付静，侯涛，邵真贵，王磊(河南航天液压气动技术有限公司特种工艺研究室，河南 郑州 451191)

0 引言

铝合金表面阳极化能提高表面耐腐蚀、抗氧化、耐磨等性能[1-2]，其中铝合金铬酸阳极化后氧化膜几乎没有孔穴，不封闭也可使用，在同样厚度情况下它的耐蚀能力要比不封闭的硫酸氧化膜高[3]，在使用中也可以采用线切割和改善阳极氧化工艺来改善质量问题[4]，故大量应用于航天航空国防工业中。一般铝合金铬酸氧化膜层不透明，颜色由灰白色到深灰色或彩虹色[5-6]，部分表面会出现蚀坑、间断条状、黑斑、掉膜、膜层腐蚀和颜色暗淡等缺陷[7-8]，很少会有明暗条纹缺陷产生，其他缺陷可以改进工艺流程中的工序来避免，但明暗条纹缺陷，至今没有有效的解决方法。在对航天器某型号2A12-T4铝合金燃油滤壳体表面进行铬酸阳极化后，表面出现明暗条纹，对缺陷形成进行对比分析，并通过试验验证，采用机械加工的方法，对铝合金表面进行处理，再次进行表面阳极化后，明暗条纹消失，说明该方法可行，能够满足产品质量技术条件要求，为同类材料缺陷提供参考依据。

1 存在问题

某型号燃油滤壳体材料为2A12-T4铝合金(如图1所示)，在壳体加工过程中，表面车去1 mm，内孔采用车削加工的方法。在进行铬酸阳极化之后，壳体表面局部出现长度不一的明暗相间的条纹，并发现在不同方向观察，明暗区域可以相互转换。这种缺陷严重影响壳体的外观质量，并且出现的几率很高，在航空航天产品中，一般这种明暗条纹缺陷被禁止的，出现这种现象的壳体都按报废处理，既浪费人力物力，提高了成本，又延长了产品周期，扰乱生产计划。

图1 燃油滤外壳结构示意图

2 问题分析

2.1 阳极化原理

不论哪种阳极化，其基本的原理都一样，就是通电，使铝合金表面生成氧化物Al2O3，这种氧化物性能稳定，硬度高，并且是因为在铝合金基体上生长的，能够和基体金属很好地结合，解决了铝合金易氧化、硬度低的问题。因此，阳极化实质是金属表面被氧化腐蚀的过程[9-10]。其生产原理如下所示：

阴极一般是铅板，铝合金作为阳极，常用的电解质有硫酸、铬酸、草酸、混合酸等。根据所用电解质的不同可以将阳极化分为硫酸阳极化、铬酸阳极化、草酸阳极化等，也可以根据生成的氧化膜性质分为普通阳极化、硬质阳极化、瓷质阳极化等。

2.2 晶粒

对壳体原材料进行腐蚀，显微组织观察，发现表层晶粒和内部晶粒大小、排列不一，晶粒的晶格结构为面心立方结构，铝原子就是按着面心立方结构进行分层排列，并且不同晶粒之间，虽然都为面心立方结构，但是原子层堆积的方向不尽相同。由于不同方向的原子层反射光线不一致，造成了金属表面出现了明暗相间区域，在不同方向进行观察，明暗区域可以进行转换，在光源1照射下，晶粒A因为反光为明亮区域，晶粒B不反光为灰暗区域。同理，在光源2照射下，晶粒A和晶粒B明暗区域进行了转换。其中金属在受到大变形，在随后的热处理过程中，大变形区域的晶粒会异常长大而成为粗晶区域，而正常变形的区域会正常长大为细晶区，根据挤压方式不同，会呈现为环状或月牙状，粗晶环按照挤压的先后顺序，头部到尾部依次减少，晶粒沿挤压的方向拉长，呈长条纹状分布。

经过分析得出壳体表面明暗相间的条纹是由于铝合金挤压棒材表层粗晶环造成的。铝合金棒材经挤压之后，表层出现了粗晶环，经过阳极化之后，因为腐蚀作用[11]，铝合金原有的晶粒表象显露出来，被拉长的粗晶区就出现了长度不一的条纹。又因为粗晶区经过了热处理而重新结晶，不同晶粒的原子层堆积方向不同，反射光线的效果不同，造成了不同条纹，明暗不同，不同方向观察，明暗区域可以相互转换。

3 试验

试验方案如下：

(1)分别截取与燃油滤壳体同批次同炉批号挤压棒材(2A12-T4，GB3191—2008)试样，共4件；

(2)抛光端面，腐蚀，30倍放大镜下观察，确认粗晶环厚度；

(3)光平两端面，抛光外圆，中心打孔，其中2件试样车去粗晶环，车去厚度为8 mm；

(4)工艺流程：表面清洗—上挂—脱脂—水洗(2次)—脱氧—水洗(2次)—铬酸阳极化(主要参数如表1所示)—水洗(2次)—封闭—烘干—下件；

(5)观察试验阳极化后外观，并与燃油滤壳体表处缺陷进行对比。

表1 铬酸阳极化工艺配方(直流电源)

通过对经过铬酸阳极化的4件试样进行观察，发现以下现象：其中两件未去除粗晶环的试样外圆表面全部出现了长短不一，明暗相见的条纹(如图2所示)，与燃油滤壳体出现的条纹对比，完全一致。并且从试样端面观察，端面外部有粗晶环的位置为条纹状，而中心没有粗晶环的位置为正常的铬酸阳极化颜色。另外两件去除粗晶环的试样外圆并没有出现纹，为正常的铬酸阳极化颜色(如图3所示)。这种长短不一、明暗相见的条纹，在能显示基体原色的阳极化方式中比较明显，在其他有色阳极化中，由于表处颜色一定程度上掩盖了这种明暗不一致性，条纹表现不明显。

图2 未去除粗晶环

图3 去除粗晶环

燃油滤某型号壳体及相似产品表面局部出现长度不一的明暗相间的条纹是铝合金挤压棒材外圆粗晶环造成的，为保证产品性能，在零件铬酸阳极化前需要固溶处理，在固溶处理过程中，组织再次重组，不同晶粒生长方向不同，在铬酸阳极化处理时，形成色差，表面出现明暗条纹。

4 结论

铬酸阳极化后航天器某型号燃油滤壳体表面局部出现长度不一的明暗相间的条纹是铝合金挤压棒材外圆粗晶环造成的，材料经过热处理后，组织再次重组，不同晶粒生长方向不同，在铬酸阳极化处理时，形成色差，表面出现明暗条纹。挤压棒材通常外径越大，粗晶环越厚，但不会超过8 mm；顺着挤压方向，粗晶环厚度会增加，所以同一根棒材粗晶环厚度会不一致。下料时增大棒料直径，棒料在进行机加之前，检查粗晶环厚度，在不影响产品加工的情况下，去除粗晶环，能够有效避免铝合金铬酸阳极化表面明暗条纹的产生，保证产品外观质量一致性，结果满足产品质量要求，该方法为同种材料铬酸阳极化产生明暗条纹的解决提供参考。