铝及其合金表面处理在轻武器上的运用

铝及其合金表面处理在轻武器上的运用

李琪敏

重庆建设工业有发责任公司，重庆，400054

［摘要］铝及其合金以其独特的机械强度、导热性、无磁性、比重轻、腐蚀产物无毒等一系列优良性质而在制造业上得也日益广泛的应用。经过反复论证试验，我厂已将铝及其合金机匣应用在某型自动步枪上，突破了传统的“钢枪”，并将其工艺进行改进深化，使氧化膜的结合强度、耐磨性、及耐蚀、耐光老化等方面都有了很大提高。

[关键词] 硬质阳极氧化   铝及铝合金  整体着色   轻武器

1  前言

铝属两性金属，其表面很容易形成一层极薄的氧化膜（厚度约为0.01～0.02μm），在大气中有一定的防腐能力。但由于这层氧化膜是非晶的，它会使铝制品表面失去原有的光泽，此外氧化膜疏松多孔，不均匀，抗蚀能力较差，且容易沾染污迹。因此，铝及铝合金制品通常需要进行表面处理。为了满足轻武器使用要求，我厂采用铝合金硬质阳极氧化法，并对铝合金机匣硬质阳极氧化整体着色工艺进行了深入的研究，形成了一套较为完整的工艺流程，从而使铝及铝合金在轻武器上的应用得以巩固。

2  铝及铝合金的硬质阳极氧化及着色工艺

硬质阳极氧化法是一种厚层阳极氧化工艺，是铝及铝合金在低温硫酸电解液中，经过阶梯电流作用而进行的电化学反应。它除具有一般硫酸氧化膜的性质外，还能够使其表面在硬度、耐磨性、结合强度、滑动性能、电穿透强度以及耐腐性等性能方面都能得到提高，是一种能够满足较高要求的表面处理方式。

轻武器因使用条件决定对于其表面耐磨、耐紫外光照等要求相对较高，选用适当的材料和适当的表面处理方法非常重要。普通阳极氧化只能满足一般外观要求，采用LY₁₁、LY₁₂硬铝合金、LC4超硬铝合金材料在硫酸溶液中得到的硬质阳极氧化层厚度可达到50～80μm，膜层硬度HV_0.1370～500。是轻武器上比较理想的表面处理方法。在这里我们主要针对其特点介绍铝合金硫酸硬质阳极氧化工艺过程。

2.1 工艺流程

装拦→脱脂→上夹具→脱脂→清洗→弱腐蚀→清洗→光泽处理→去离子水清洗→硬质阳极氧化→去离子水清洗→染黑色→清洗→封闭→热水烫干→烘干

2.2 氧化前处理主要工序及工艺条件

对铝合金工件进行氧化前处理，是获得优质氧化层的重要环节。粗糙或沾有污物的工件表面，是不能得到平滑、结合力好、防腐性能优越的氧化层的。为获得高质量的氧化层，必须作好氧化前处理。通过反复实践，我们总结出以下氧化前处理工艺条件见表1：

表1

2.3 硬质阳极氧化铝合金机匣整体着色工艺

2.3.1硬质阳极氧化工艺条件（见表2）

表2　

2.3.2染色工艺

零件经硬质阳极氧化出槽后，为灰黑色，表面疏松多孔，为了提高氧化膜的外观质量，一般要对氧化层进行染色。在轻武器上，主要以染黑色为主，其工艺条件见表2

表2 

2.3.3 硬质阳极氧化膜的封闭处理

通过对铝及铝合金硬质阳极氧化生产工艺条件和参数的优化，采用封闭剂LD-5950进行封闭效果较好（见表4），不仅提高了氧化膜的外观质量，氧化膜的各项性能都得到了提高。

表4 

3 各种因素对氧化膜性能的影响

3.1 硫酸浓度的影响

在硬质阳极氧化过程中，硫酸的浓度以210～230g/L为最佳。降低硫酸含量（150g/L以下）可以提高氧化膜致密度、降低孔隙率且氧化膜的硬度以及耐蚀性可以得到明显改善，但对于含Cu元素的铝合金，在氧化过程中易生成Cu₂Al化合物，导致零件溶解快、易烧毁，必须采用适当提高硫酸浓度和直流、交流电叠加的办法进行处理。

硫酸浓度升高（250g/L以上），会加速氧化膜溶解，孔隙率增大，这对零件的着色工艺有利，但如果硫酸浓度过高，开始阶段氧化膜溶解速度太快，会使氧化速度相应减慢。

3.2 添加剂LD浓度的影响

添加剂LD是一种有机溶剂，主要成份为丙三醇等碳氢化合物，可以明显提高电解液的导电性能，降低电解液对氧化膜的腐蚀，抑制氧化膜的溶解，并能使氧化膜表面均匀，减少工件烧蚀。但添加剂用量浓度过高，会使氢析加快，氧化膜孔隙率增高，硬度、耐蚀性下降，故添加剂浓度应控制在5～10g/L为佳。

3.3 温度的影响

温度的控制对获得阳极氧化膜的硬度影响较大，一般材料如LC₄、LY₁₂等，在较低温度条件下所生成的氧化膜硬度、耐磨性较好；而纯铝在0℃左右进行阳极氧化时，其氧化膜的硬度的耐磨性能反而会降低。一般控制在-6℃~-3℃为宜。

3.4 电流密度影响

提高阳极电流密度可使氧化膜的生成速度加快，并可缩短氧化时间和减少膜层溶解量，从而提高氧化膜的耐磨性。但电流密度超过了8A/dm²,工件易发生烧蚀，氧化膜的硬度和耐磨性下降；如果电流密度太低，虽然工件发热量减少，但氧化膜在硫酸电解液中受到的化学溶解时间较长，从而降低了氧化膜的硬度，因此，一般控制在3～5A/dm²的电流密度为宜。

3.5 铝合金成份的影响

铝合金成份直接影响到氧化膜的质量，Cu、Si、Mn含量过高，硬质阳极氧化困难较大，当铝合金的含量大于5%或Si含量大于7.3%时，就不宜用直流电进行硬质阳极氧化^[1]，而采用直流电和交流电叠加法进行氧化处理，LC₄、LY₁₂等铝合金材料阳极氧化工艺比较简单，运用也比较广泛。

3.6 氧化时间的影响

铝及其合金在进行阳极氧化时，开始电流密度一般控制在0.5A/dm²左右，在约25min内，逐步升至3A/dm²～5 A/dm²，并维持氧化时间60～90min。这样可以得到膜层厚、孔隙多、硬度高、耐磨性强、绝缘性和结合力好的阳极氧化膜。如果氧化时间短，氧化膜会薄而平滑；如果氧化时间过长，氧化层会过于粗糙、疏松而且容易脱落。由此可见，阳极氧化时间对氧化膜的质量有较大的影响。

4 质量检查

4.1 外观质量

经硬质阳极氧化的工件应100%进行目视外观检验。硬质阳极氧化后未染色前外观应为灰黑色，染色后应为均匀的黑色，不允许有未阳极氧化到的部位、氧化膜的腐蚀痕迹、烧伤和明显的机械擦伤、暗色条纹、氧化起泡等缺陷。

允许有因零件表面加工方法不同引起的氧化后的色差、由于原材料表面所带来的缺陷，零件的内表面、小孔周围以及隐蔽部份的水流痕或小面积颜色不均匀、夹具接触痕迹等。

4.2 氧化膜的稳定性

每天生产的零件抽样进行氧化膜稳定性检验，允许用材料与粗糙度相同并同槽处理的试片进行试验。试样必须经开水封闭、烘干冷却后在远离螺纹和孔边缘的光滑表面上进行检验。将被检验的表面洗净，干燥后滴1～2滴检验溶液，同时用表计时，1.5min溶液不变绿为合格，检验溶液成份见表5。

表5  检验溶液成份

4.3 氧化膜的硬度

允许用材料相同、尺寸不合格的零件同槽氧化后进行维氏硬度检测，测试硬度应在工件平面上进行，采用金相显微镜测量法：硬度400HV_0.1以上。

4.4 氧化膜的耐光度

抽样进行，试验条件与方法：光源UVB-313荧光紫外灯，波长范围：280～315。4h紫外线/60℃，4h冷凝/50℃，光照时间200h，总试验时间400h.评级参照GB/T1766-1955《油漆涂层老化评级方法》，对照样品对比颜色变化，可达到表面不变色。

4.5 氧化膜的耐磨性

允许用材料相同、尺寸不合格或其它原因报废零件同槽氧化后，制作试样。在磨试机上磨擦10min，试样磨擦面氧化膜完整。

4.6 氧化膜的耐蚀性

抽染色封闭后的工件进行《中性盐雾试验（NSS试验）》：可达到24h，不腐蚀。

5  常见缺陷及排除方法

5.1阳极氧化常见故障及排除方法^[2]，见表6

表6

5.2  染色过程中常见缺陷及排除方法，见表7。

表7  常见缺陷及排除方法

6  氧化膜的退除

6.1 退膜工艺流程：上架→脱脂→清洗→退膜→清洗→烫干→下架。

6.2退膜工艺条件见表8

表8  退膜工艺

7 结束语

铝及铝合金硬质阳极氧化整体着色：硫酸的浓度230g/L，添加剂浓度6g/L，温度-6℃，电流密度4A/dm²，时间70分钟为最佳，铝合金产品经硬质阳极氧化、染色封闭一套完整的工艺，所得到的产品在轻武器上的应用，得到国家兵器装备的认可；并已运用于其他型轻武器上。

参考文献：

［1］李淑华等 铝及其合金的表面处理技术[J] 材料保护 2001.3期

［2］陈其忠等 电镀故障排除[M] 上海科学技术文献出版社 1988。