折弯型材内腔氧化工艺探究

刘昌明，屈乐柱，王 帅，张 弟，孙 强

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳111003)

折弯管材(合金牌号6005A)作为排水管，长期接触雨水、酸性气体等腐蚀性物质，容易造成管材内腔腐蚀[1-3]，因此需要对管材进行表面处理来增加使用寿命。阳极氧化技术是目前应用最广且最成功的表面处理技术，它对延长产品的使用寿命起着至关重要的作用，已经成为铝合金使用中不可缺少的一环[4]。目前传统的氧化工艺无法使管材内腔生成均匀的氧化膜层，导致内腔的耐蚀性能较低[5]。本文研究一种新型的氧化工艺流程，使得管材内腔也能生成氧化膜，以此来提高管材内腔的耐蚀性能，延长管材的使用寿命。

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

选取 3.5m长的折弯排水管作为试验材料，试样尺寸如图1所示。

图1 试验材料Fig.1 Test material

1.2 试验方案

将试验材料分为两批，在氧化厂进行试验。一批按照传统工艺进行氧化，另一批按照新工艺流程进行氧化，对比试验型材的内腔氧化膜层。传统工艺流程为，上料→脱脂→水洗→碱蚀→水洗→中和→水洗→氧化→水洗→封孔→水洗→烘干。新工艺流程为，上料→脱脂→水洗→碱蚀→水洗→中和→水洗→穿阴极→氧化→水洗→封孔→水洗→烘干。

工艺参数改进。(1)穿阴极。将图2所示的阴极线[6]在试验样品氧化处理前穿插在管材内部，并连接对应氧化槽内阴极板。为防止阴极线与产品(阳极)接触，并且要保证内腔中阴极气体顺利排出，在阴极线上每10cm处加设三角形橡胶垫(图2中绿色三角)。(2)上料。上料时可将物料倾斜20°～40°，使氧化产生的气体可以顺利排出。

图2 试验阴极线Fig.2 Test cathode line

1.3 检测方法

将试样分为三个区域，A、B、C区，A、C两区分别为试样左、右两端20cm处，剩余部分为C区。

(1)宏观观察。用肉眼观察两种工艺制得产品内腔的氧化膜层是否均匀，对比分析得出结论。

(2)膜厚检测。使用便携式膜厚仪对表面氧化膜厚度进行检测，并对比两种工艺制得产品氧化膜厚不同未知的内外膜层差异。

(3)粗糙度检测。使用便携式粗糙度测试仪对外层膜层表面粗糙度进行检测，并对比新工艺制得产品内外层氧化膜粗糙度差异，检验膜层质量，若存在粉化现象，则粗糙度明显会高于正常位置[7]。

(4)耐腐蚀性能检测。根据根据GB/T 12967.3-2022《铝及铝合金阳极氧化膜及有机聚合物膜检测方法第3部分：盐雾试验》进行铜加速乙酸盐雾(CASS)试验，，并按照GB/T 6461-2002《金属基体上金属和其他无机覆盖层经腐蚀试验后的试样和试件的评级》进行腐蚀结果的评级。

2 结果分析

2.1 宏观图片

图3为传统氧化工艺与新工艺流程所得产品的内腔宏观图(剖面图)。传统工艺所制得的试样只在两端端头(约12cm)处存在氧化膜，且颜色均匀，除此之外C区出现彩虹膜[8]，用铝线轻轻刮蹭，表面出现划痕，表明内腔中间表面无膜或仅存在一层较薄的氧化膜；图3(b)为改进氧化工艺后试样内腔宏观图，可以看出内腔表面氧化膜颜色均匀，且无气泡印、粉化等不良缺陷。因此，宏观图像可知，新工艺流程所制得试样表面氧化膜层颜色均匀，且内腔均存在氧化膜。

(a)传统工艺流程；(b)新工艺流程图3 试样内腔宏观图Fig.3 Macroscopic view of specimen cavity

2.2 膜层厚度

每隔10cm对内腔膜厚进行测量，得到两种工艺所制得产品内腔膜厚变化趋势图，如图4所示。

图4 两种工艺所制得产品的膜厚变化趋势图Fig.4 Trend chart of film thickness of product produced by two processes

由图中可以看出，传统工艺流程得出的内腔膜厚值变化较大，只在A、C两区有氧化膜，B区大部分位置氧化膜层厚度均为0。这是由于传统工艺流程没有加装阴极线，氧化时型材腔体内部产生电流屏蔽效应，导致内腔没有膜层及两端出现彩虹膜。而采用新工艺流程后，产品内腔均有氧化膜，且厚度变化较小，各位置膜厚均匀。这就说明新工艺流程可生产均匀膜厚的产品。

2.3 耐腐蚀性能

2.3.1 24h腐蚀试验

图5和图6分别为两种工艺下，产品进行24h铜加速盐雾腐蚀后内腔膜层腐蚀的宏观形貌图和腐蚀孔微观形貌图。由图可知，两种工艺下宏观形貌表面均出现了肉眼可见的点状腐蚀，而且由于传统工艺流程试样由于内腔无膜或膜层缺陷，导致试样出现大量腐蚀孔，腐蚀情况较为严重。新工艺流程氧化后的试样表面腐蚀点个数不多，腐蚀孔的直径约为0.9mm，且深度也比传统工艺流程的产品浅。对内腔氧化膜耐蚀性能进行评级，传统工艺流程得出的氧化膜保护级别为4.5级，新工艺流程得出的氧化膜保护级别为8.5级。

(a)传统工艺流程产品；(b)新工艺流程产品图5 24h盐雾腐蚀宏观形貌Fig.5 Macroscopic morphology of 24h salt spray corrosion

(a)传统工艺流程产品；(b)新工艺流程产品图6 24h腐蚀孔微观形貌Fig.6 Micro-morphology of 24h corrosion hole

2.3.2 48h腐蚀试验结果

图7为两种工艺下产品进行48h盐雾腐蚀后内腔膜层腐蚀的宏观形貌图，图8为腐蚀孔微观形貌图。

(a)传统工艺流程产品；(b)新工艺流程产品图7 48h盐雾腐蚀宏观形貌Fig.7 Macroscopic morphology of 48h salt spray corrosion

(a)传统工艺流程产品；(b)新工艺流程产品图8 48h腐蚀孔微观形貌Fig.8 Microscopic morphology of 48h corrosion hole

由图中可知，内腔表面经48h盐雾腐蚀试验后，腐蚀点数量较24h腐蚀试验明显增多，且腐蚀孔直径也比24h腐蚀试验后的大(约1.5mm)，且新工艺流程得出的产品腐蚀程度明显比传统工艺氧化产品轻。对腐蚀后的内腔氧化膜评级：传统工艺氧化膜保护级别为3.5级；新工艺流程内腔氧化膜保护级别为7.5级。这说明新工艺流程得出的氧化膜层具有一定的耐蚀性能。

2.4 新工艺流程氧化膜均匀性

通过对比新工艺产品外层与外腔的膜厚值，可知内外氧化膜层厚度存在一定的差异，外层均比内腔膜厚值高，高出约2μm ～4μm，且随着外层膜厚的升高时，外层与内腔膜厚差异越大。新工艺流程产品不同区域氧化膜的粗糙度变化不大，且氧化膜层粗糙度较低，这就说明外层和内腔均无膜层粉化缺陷，氧化膜层性能良好，具有一定的保护作用

3 结论

传统氧化工艺内腔无膜，经分析有以下两个原因：(1)由于阳极氧化过程中阴极会产生大量的气体，使气体积压在管材内部，导致腔内部分基体无法接触电解液，使部分位置无氧化膜，产生氧化膜不均的缺陷[9]。(2)氧化时型材腔体内部产生电流屏蔽效应，导致内腔没有膜层及两端出现彩虹膜[10]。新工艺流程在产品腔体内部加装阴极，最大程度地减小了电流屏蔽效应，且在上料时将物料倾斜20°～40°，可使氧化产生的气体排出，有效地解决了内腔氧化无膜的问题。通过管材内腔加穿阴极线及改变上料方式，可制定内腔阳极氧化新工艺流程为，上料→脱脂→水洗→碱蚀→水洗→中和→水洗→穿阴极→氧化→水洗→封孔→水洗→烘干。该工艺可使管材内腔生成均匀、连续的氧化膜，膜层粗糙度较低，没有粉化、彩虹膜等缺陷，且耐蚀性能较好，48h铜加速盐雾试验后，氧化膜层的保护级别可达7.5级，有效提高了管材内腔的耐蚀性能，增加了产品的使用寿命。