提高耐磨性！脉冲阳极氧化5005铝合金性能研究

铝及其铝合金在大气中很易被腐蚀和氧化。通常情况下，其产品必须经过表面处理来提高使用性能。传统方法主要是采用化学氧化和直流阳极氧化处理，传统方法缺陷众多，如表面粗糙、质软、硬度低、耐磨性、抗蚀性和绝缘绝热性差等。而采用脉冲阳极氧化的铝及其铝合金产品的氧化膜结构具有均匀致密、纯度高、孔隙率低等优势。

目前，脉冲阳极氧化是铝合金工业最有前途的阳极氧化方法。在工业发展中最值得关注的两个问题分别是：（1）阳极氧化参数对各种铝合金涂层的机械性能的影响；（2）降低阳极氧化设备的成本而不降低涂层性能。为了更好更快的工业应用，来自波兰的研究人员研究了脉冲阳极氧化的镀液温度以及电流密度对机械强度的影响。

最新研究表明，在脉冲电流对5005铝合金进行硬质阳极氧化过程中，提高镀液温度不会降低镀层的耐磨性和抗刮性等力学性能，进而有利于保持阳极氧化装置的成本效益。相关论文以题为“Mechanical properties of a pulsed anodised 5005 aluminium alloy”于2月15日发表在Surface and Coatings Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.125233

在这项工作中，研究人员对5005铝合金制成的医疗器械部件进行阳极氧化处理，研究了在不降低涂层机械性能的情况下提高镀液温度，从而降低阳极氧化成本。结果发现，与基体相比，阳极氧化本身并不增加表面粗糙度，在阳极氧化参数为电流密度等于4A·dm−2，镀液温度为4℃时，产生镀层所需的电能最低，提高镀液温度(4℃)不会降低镀层的耐磨性和抗刮性等力学性能。在T=4℃时，比磨损率最低；在T=−4℃，离子=4A·dm−2时，镀层硬度最高。从实用角度看，硬度不如耐磨性重要，应以耐磨性来评价硬质阳极膜的保护性能。在T=4℃，离子=4A·dm−2的条件下，脉冲阳极氧化具有最低的生产成本，涂层的耐磨性和抗刮性基本不变。

图1. 阳极氧化过程中施加的电流脉冲形状

图2. 不同阳极氧化条件下获得的阳极涂层的SEM图像（a）涂层横截面，在T=4℃，ion=6 A·dm−2；其中（b）、（c）和（d）为俯视面，（b）T=4℃，ion=4 A·dm−2；（c）T=0℃，ion=8A·dm−2；（d）T=-4℃，ion=6 A·dm−2

图3.阳极涂层气孔直径与镀液温度和电流密度的函数关系

图4. 阳极氧化电压与镀液温度的函数关系：（a）4°C；（b）0°C；（c）−4°C.

图5. 阳极涂层的球盘磨损试验结果（a）磨痕宽度的测定；（b）比磨损率与镀液温度和电流密度的函数关系

图6.划痕测试结果：（a）在T=4℃，ion=4 A·dm−2条件下的涂层中法向力、摩擦力和剩余深度与划痕距离的函数；（b）临界负荷下与镀液温度和电流密度的函数

图7. 在T=4℃，ion=4 A·dm−2条件下的涂层表面划痕的扫描电镜显微图像

这项研究成果推动了铝合金硬质阳极氧化的发展，可以改进铝合金的氧化膜质量，明显地增强膜层的耐磨性和抗刮性等性能，改善膜厚的均匀性，以及减少生产要求厚度的总时间。运用脉冲阳极氧化获得的硬质氧化膜更厚，而冷却溶液所消耗的能量更少，大大降低生产成本。与此同时，文章中主要是针对5005铝合金，然而对于其它有需求性能的铝合金也有相同的作用。这项技术如果得以推广，将大大降低阳极氧化装置的成本，为企业实际创造更多利益。（文：冯冯）