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摘 要：研究了7075铝合金硬质阳极氧化，分析了影响7075铝合金硬质阳极氧化相关工艺参数对质量的影响，通过试验优选出7075铝合金最佳的硬质阳极氧化工艺参数，经检测7075硬质阳极氧化参数可使零件达到硬质阳极化的质量要求。
关键词：7075铝合金;硬质阳极氧化;硬度;耐磨性
1.试验材料及方法
试验所用材料为30mm×30mm×6mm 和100mm×100mm×（2-2.5）mm中心孔为6.35mm 的7075-T7351铝合金试片。硬氧化采用恒电流操作，试验选用KYD-1硅整流可调电源进行工艺试验。
2. 硬质阳极氧化工艺流程
碱清洗—温水洗—冷水洗—脱氧—冷水洗—硬质阳极氧化—冷水洗—干燥—检验。
3.工艺条件
溶液配方为单组份300～350 g/L的H2SO4;溶液温度-8℃～-2℃;氧化时间20min～80min;搅拌为压缩空气搅拌;阴极材料為铅板。通过试验优选出适宜的电流给进方式和不同氧化时间对应的膜层厚度及不同膜层厚度对应的最佳硬度及耐磨性能。
4.测试方法
4.1外观检查
经过硬质阳极氧化的零件进行目视检验。氧化膜颜色从暗灰色至近于黑色、膜层连续、均匀为合格。氧化膜越厚，颜色越深。不允许存在未被氧化的部分（夹具印除外）及基体金属发生腐蚀等缺陷，允许因零件表面加工方法不同引起的氧化膜的色差、夹具接触痕迹等现象的存在。
4.2厚度及硬度测量
硬质阳极氧化后采用维氏硬度机对氧化膜的厚度及硬度进行测量。测量前校正零点，测量时在试样表面均匀选取10个点，取其平均值分别作为氧化膜的厚度和硬度值。
4.3耐磨性试验
在温度为23℃±2℃，相对湿度为50%±5%，试样至少放置24小时。使用Taber磨损机，通过在压力和磨损作用的控制条件下，对试样表面进行旋转磨擦。将试样固定在可旋转的平台上，该平台可围绕一垂直的轴旋转，且与两个磨轮相对移动。其中一个磨轮沿着试样外侧边缘磨损，另一个向中心磨损，磨损完成的标志是形成一个约30cm2的圆环区域。用电子天平称量磨损前后的试样的重量，计算磨损重量损失，经硬氧化的试样进行试验时合金重量损失不超过35mg时，试样的耐磨性能合格。
5试验过程和结果分析
5.1温度的控制
硬质阳极化氧化膜的生成过程是电化学和化学反应同时进行的结果，随着致密氧化膜的生成，氧化电压快速上升，同时伴随大量热量的产生，从而加速氧化膜的溶解。因此需要严格控制槽液温度和氧化电压[2]。硬质阳极氧化时电解液温度对耐磨性影响较大，一般来说，电解液温度降低，氧化膜的耐磨性就增高，这是由于电解液对氧化膜的溶解速度降低所致，本试验采用压缩空气搅拌对电解液进行冷却，使溶液温度控制在-8℃～-2℃之间。
5.2电流密度的选择
7075铝合金硬质阳极氧化采用恒电流法进行，电流波形为全波整流波形。试样下槽后2min内通电，15分钟内将电流密度逐渐增加至2.3A/dm2。膜层形成过程中，应按实际要求手动调节电压，保持电流密度在2.0～2.5 A/dm2范围，直至氧化结束。操作过程中应注意电流、电压的变化，若电流持续升高或下降，应立即关闭电源并取出零件进行检查。若零件出现打电或过腐蚀坑，应更换试样重新进行试验;否则，零件应在湿态下继续进行硬质阳极化处理，并按实际面积一次给够所需电流。
该种电流密度的控制方法，较常规的调整方法“每隔一定间隔调整一次电流，以使电流密度在2A/dm2～2.5A/dm2之间逐步升高”具有一定的优势。首先，避免了固定间隔时间的手动调节电压而导致电流密度在更大范围的波动;因为较高的电流密度，可以明显改变膜层的生长速度。硬质阳极化膜层的生长是膜的“生长”和“溶解”反应并行的过程，过高的电流密度，将会导致膜层硬度下降，耐磨性变差[3]。其次，将电流密度控制在中线2.3dm2在氧化的过程中，手动调节电压保证电流密度在2A/dm2～2.5A/dm2范围波动，电流波动较小，且波动范围可控，对于进一步提高膜层的均匀性和一致性具有较好的效果，同时，提高了零件批次的质量稳定性。
5.3 氧化时间对氧化膜厚度的影响
随着氧化时间的延长，氧化膜逐渐增厚，氧化终止电压时，氧化时间达到到上限时，膜层厚度达最大值88μm，氧化终止电压下降时，随着氧化时间的增加氧化电压不升反降，则表明膜层开始不再增加，出现膜层的溶解。这是因为硬铝合金的硬质阳极氧化过程是一个氧化膜的生成与溶解同步进行的过程，在初始阶段，由于氧化膜的生成率大干溶解率，所以膜层会不断增厚;当氧化过程进行时间上限后.氧化膜的生成率与溶解率相等，膜厚达到一个相对稳定的值。若进一步延长氧化时间，膜层会变得粗糙、疏松且易脱落。所以，7075铝合金硬质阳极氧化时间一般不宜超过80 min。
5.4膜层厚度对膜层硬度及耐磨性的影响
随着膜层厚度的增加，氧化膜的显微硬度逐渐增加。当膜层厚度达到58μm时膜层硬度出现峰值。之后氧化膜的硬度反而逐渐降低;随着膜层厚度的的增加膜层磨损量逐渐降低，当膜层厚度达到58μm时，膜层磨损量最低，之后随着膜层厚度的增加膜层磨损量逐渐增加。由此可见，当膜层厚度未达到58μm时，随着膜层厚度的增加，膜层硬度升高，磨损量随之降低，膜层耐磨性能最优。当膜层厚度超出58μm时，随着膜层厚度的增加，膜层硬度降低，磨损量随之升高。这是由于电解液与氧化膜的作用时间过长，使得氧化膜的溶解率增大、膜层孔隙率增加，从而使氧化膜的硬度降低，磨损量增高。综合考虑，7075铝合金硬质阳极氧化膜层厚度控制在40μm～60μm时，膜层硬度值较高，耐磨损性能较优。
5.5氧化膜的形貌
当7075铝合金硬质阳极氧化后的膜层厚度控制在20μm～60μm范围时，硬氧化膜层的外观颜色为深褐色，膜层均匀、连续、完整。
5.6试验结论
（1）7075材料零件铝合金硬质阳极化后膜层的外观颜色为：深褐色，并且有均匀、连续、完整的膜层;
（2）研究了7075铝合金材料硬质阳极化处理具体参数，采用单组份硫酸阳极化溶液，电流密度逐渐增加至2.3A/dm2，直至氧化结束;
（3）随着膜层厚度的增加，膜层的显微硬度随着膜层厚度的增加呈先增大后减小趋势，而膜层的磨损量随着膜层厚度的增加呈先减小后增大趋势。
参考文献：
[1] 张红军，铝合金硬质阳极氧化前处理工艺改进，电镀与涂饰，2015.06.26，第34卷，第13期;
[2] 韩克，欧忠文，蒲滕，高璐，铝及铝合金硬质阳极氧化的研究进展，表面技术，2011年10月，第40卷，第5期;
[3] 王勇，何春生，徐竟一，7A04铝合金的硬质阳极氧化工艺，表面技术，2010年12月，第39卷，第6期。
关键词：7075铝合金;硬质阳极氧化;硬度;耐磨性
1.试验材料及方法
试验所用材料为30mm×30mm×6mm 和100mm×100mm×（2-2.5）mm中心孔为6.35mm 的7075-T7351铝合金试片。硬氧化采用恒电流操作，试验选用KYD-1硅整流可调电源进行工艺试验。
2. 硬质阳极氧化工艺流程
碱清洗—温水洗—冷水洗—脱氧—冷水洗—硬质阳极氧化—冷水洗—干燥—检验。
3.工艺条件
溶液配方为单组份300～350 g/L的H2SO4;溶液温度-8℃～-2℃;氧化时间20min～80min;搅拌为压缩空气搅拌;阴极材料為铅板。通过试验优选出适宜的电流给进方式和不同氧化时间对应的膜层厚度及不同膜层厚度对应的最佳硬度及耐磨性能。
4.测试方法
4.1外观检查
经过硬质阳极氧化的零件进行目视检验。氧化膜颜色从暗灰色至近于黑色、膜层连续、均匀为合格。氧化膜越厚，颜色越深。不允许存在未被氧化的部分（夹具印除外）及基体金属发生腐蚀等缺陷，允许因零件表面加工方法不同引起的氧化膜的色差、夹具接触痕迹等现象的存在。
4.2厚度及硬度测量
硬质阳极氧化后采用维氏硬度机对氧化膜的厚度及硬度进行测量。测量前校正零点，测量时在试样表面均匀选取10个点，取其平均值分别作为氧化膜的厚度和硬度值。
4.3耐磨性试验
在温度为23℃±2℃，相对湿度为50%±5%，试样至少放置24小时。使用Taber磨损机，通过在压力和磨损作用的控制条件下，对试样表面进行旋转磨擦。将试样固定在可旋转的平台上，该平台可围绕一垂直的轴旋转，且与两个磨轮相对移动。其中一个磨轮沿着试样外侧边缘磨损，另一个向中心磨损，磨损完成的标志是形成一个约30cm2的圆环区域。用电子天平称量磨损前后的试样的重量，计算磨损重量损失，经硬氧化的试样进行试验时合金重量损失不超过35mg时，试样的耐磨性能合格。
5试验过程和结果分析
5.1温度的控制
硬质阳极化氧化膜的生成过程是电化学和化学反应同时进行的结果，随着致密氧化膜的生成，氧化电压快速上升，同时伴随大量热量的产生，从而加速氧化膜的溶解。因此需要严格控制槽液温度和氧化电压[2]。硬质阳极氧化时电解液温度对耐磨性影响较大，一般来说，电解液温度降低，氧化膜的耐磨性就增高，这是由于电解液对氧化膜的溶解速度降低所致，本试验采用压缩空气搅拌对电解液进行冷却，使溶液温度控制在-8℃～-2℃之间。
5.2电流密度的选择
7075铝合金硬质阳极氧化采用恒电流法进行，电流波形为全波整流波形。试样下槽后2min内通电，15分钟内将电流密度逐渐增加至2.3A/dm2。膜层形成过程中，应按实际要求手动调节电压，保持电流密度在2.0～2.5 A/dm2范围，直至氧化结束。操作过程中应注意电流、电压的变化，若电流持续升高或下降，应立即关闭电源并取出零件进行检查。若零件出现打电或过腐蚀坑，应更换试样重新进行试验;否则，零件应在湿态下继续进行硬质阳极化处理，并按实际面积一次给够所需电流。
该种电流密度的控制方法，较常规的调整方法“每隔一定间隔调整一次电流，以使电流密度在2A/dm2～2.5A/dm2之间逐步升高”具有一定的优势。首先，避免了固定间隔时间的手动调节电压而导致电流密度在更大范围的波动;因为较高的电流密度，可以明显改变膜层的生长速度。硬质阳极化膜层的生长是膜的“生长”和“溶解”反应并行的过程，过高的电流密度，将会导致膜层硬度下降，耐磨性变差[3]。其次，将电流密度控制在中线2.3dm2在氧化的过程中，手动调节电压保证电流密度在2A/dm2～2.5A/dm2范围波动，电流波动较小，且波动范围可控，对于进一步提高膜层的均匀性和一致性具有较好的效果，同时，提高了零件批次的质量稳定性。
5.3 氧化时间对氧化膜厚度的影响
随着氧化时间的延长，氧化膜逐渐增厚，氧化终止电压时，氧化时间达到到上限时，膜层厚度达最大值88μm，氧化终止电压下降时，随着氧化时间的增加氧化电压不升反降，则表明膜层开始不再增加，出现膜层的溶解。这是因为硬铝合金的硬质阳极氧化过程是一个氧化膜的生成与溶解同步进行的过程，在初始阶段，由于氧化膜的生成率大干溶解率，所以膜层会不断增厚;当氧化过程进行时间上限后.氧化膜的生成率与溶解率相等，膜厚达到一个相对稳定的值。若进一步延长氧化时间，膜层会变得粗糙、疏松且易脱落。所以，7075铝合金硬质阳极氧化时间一般不宜超过80 min。
5.4膜层厚度对膜层硬度及耐磨性的影响
随着膜层厚度的增加，氧化膜的显微硬度逐渐增加。当膜层厚度达到58μm时膜层硬度出现峰值。之后氧化膜的硬度反而逐渐降低;随着膜层厚度的的增加膜层磨损量逐渐降低，当膜层厚度达到58μm时，膜层磨损量最低，之后随着膜层厚度的增加膜层磨损量逐渐增加。由此可见，当膜层厚度未达到58μm时，随着膜层厚度的增加，膜层硬度升高，磨损量随之降低，膜层耐磨性能最优。当膜层厚度超出58μm时，随着膜层厚度的增加，膜层硬度降低，磨损量随之升高。这是由于电解液与氧化膜的作用时间过长，使得氧化膜的溶解率增大、膜层孔隙率增加，从而使氧化膜的硬度降低，磨损量增高。综合考虑，7075铝合金硬质阳极氧化膜层厚度控制在40μm～60μm时，膜层硬度值较高，耐磨损性能较优。
5.5氧化膜的形貌
当7075铝合金硬质阳极氧化后的膜层厚度控制在20μm～60μm范围时，硬氧化膜层的外观颜色为深褐色，膜层均匀、连续、完整。
5.6试验结论
（1）7075材料零件铝合金硬质阳极化后膜层的外观颜色为：深褐色，并且有均匀、连续、完整的膜层;
（2）研究了7075铝合金材料硬质阳极化处理具体参数，采用单组份硫酸阳极化溶液，电流密度逐渐增加至2.3A/dm2，直至氧化结束;
（3）随着膜层厚度的增加，膜层的显微硬度随着膜层厚度的增加呈先增大后减小趋势，而膜层的磨损量随着膜层厚度的增加呈先减小后增大趋势。
参考文献：
[1] 张红军，铝合金硬质阳极氧化前处理工艺改进，电镀与涂饰，2015.06.26，第34卷，第13期;
[2] 韩克，欧忠文，蒲滕，高璐，铝及铝合金硬质阳极氧化的研究进展，表面技术，2011年10月，第40卷，第5期;
[3] 王勇，何春生，徐竟一，7A04铝合金的硬质阳极氧化工艺，表面技术，2010年12月，第39卷，第6期。