机加件阳极化后“窝气”现象的工艺研究

机加件阳极化后“窝气”现象的工艺研究

张星,赵天祥,王飞

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨市150066

摘要：机加件在阳极化后，凹槽处会出现局部“窝气”现象，极大地影响了航空产品的质量。经过研究发现，导致“窝气”的主要原因是装夹问题，但由于现如今的工装制造水平限制，无法满足工艺要求，故通过对工艺方法的探究以及大量的工艺试验，进行了相应的改进，最终本文得出避免“窝气”的最佳工艺条件为：装夹时工件与水平方向呈现的最佳角度为90°±5°，各个槽液风搅拌阀门最佳角度为40°～50°之间。工艺试验发现：采用上述的工艺参数，能够极大降低“窝气”现象的发生，可使“窝气”率由100%降低到10%。

关键词：铬酸阳极化；“窝气”；装夹；搅拌；角度。

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0引言

本文围绕铝合金阳极氧化后局部无氧化膜的故障展开原因分析、建立解决措施。

铝合金阳极氧化后局部无氧化膜现象是各机型复杂机加件的一大难题，虽然工件在阳极化后皆为喷漆处理，可以降低无氧化膜区域腐蚀，但这必然是飞机的安全隐患，质量是航空人的生命，技术难题我们必须要通过不断的探索、不断的尝试、不断的推新从而攻坚克难，彻底解决实质性问题。

1.工艺研究

1.1原因分析

1.1.1阳极氧化原理

阳极氧化原理见下：

阴极：

H++e→½H2↑

阳极：

OH--4e→2H2O+2O↑

原子氧有很强的氧化能力，它与阳极上的铝作用生成氧化物，并放出大量热，相应的化学反应为：

     2Al3++3O2-→Al2O3+Q（热量）

在冶金专业中，通常将局部无氧化膜的现象叫做“窝气”。 “窝气”现象主要发生在机加件凹槽处，原因是在阳极化过程中，机加件凹槽中空气无法排除，从阳极氧化原理可知，只有与电解液接触才能完成完整的电化学反应，但此处残留的空气使电解质与铝合金不接触，导致无法形成阳极氧化膜层。

1.1.2阳极氧化处理流程

普遍用于航空产品的阳极氧化的主要处理流程为：

溶剂除油——装挂——除油——水洗——酸洗——水洗——阳极化——水洗——填充——水洗——下挂

工序1溶剂清洗是将工件表面的轻微污染进行入槽前处理，无影响；

工序2装挂的角度对工件入槽后影响极大，将凹槽向上，槽液能够完全浸入凹槽，与所有表面接触完全，就不会出现“窝气”现象，因此其为主要影响因素；

工序3除油是将工件表面残留油脂清除，无影响；

工序4酸洗是去除工件表面氧化皮，无影响；

工序5阳极氧化是主要工序，完成电化学反应的过程，无影响；

工序6填充是将阳极氧化膜层的空隙填满，增加工件防腐性能，无影响；

工序7下挂工件，无影响。

从上述分析中，我们得知主要且唯一的原因便是装挂。

1.2解决措施

通过原因分析，我们建立两种解决方法，分别是“直接法”和“间接法”。目的都是将机加件凹槽处的气体及时排除，溶液对凹槽内壁完全浸润，使该处能够进行完整的电化学反应，进而形成阳极氧化膜层。

1.2.1直接法

所谓“直接法”，就是新制工装夹具，使工件在阳极化槽液中能够自由旋转，将凹槽内留存的气体排出，溶液浸入，从根本上解决问题。

虽然，旋转工装的制造能够完全解决“窝气”的问题，但是会大大增加时间成本、经济成本。该工装定然比普通工装造价高，且难以达到通用效果，即对难以保证一个工装适用于所有机加件。

因此，该方法未被推广。

1.2.2间接法

所谓“间接法”便是将无法从根本方法完全解决的问题，从其他方法间接解决。这里，我们主要从工艺参数上着手解决。阳极化过程中涉及到的工艺参数主要包括温度、时间、电压、装夹角度和搅拌时开风程度5项。经考察发现，温度、时间、电压是设备通用的，基本与工件种类、形态无关，因此温度、时间、电压非主要影响因素。而装夹角度和搅拌时开风程度是人为可控的，角度大小、开风程度因人而异，因此，将其认定为主要影响因素，对“窝气”影响较大。所以，通过做对比试验，验证装夹角度、搅拌时开风程度对“窝气”现象的影响。

1.3试验过程与结果

1.3.1试验工艺流程

主要工艺流程如1.1.2节所示。

1.3.2装夹角度对“窝气”现象的影响

将一种“窝气”概率较大的工件，作为试验用件。

取15个工艺试验件，3个为一组，装夹时将每组试验件与水平方向分别呈30°角、45°角、60°角、75°角和90°角，风搅拌阀门都开到45°角，槽液温度、浸渍时间都控制在要求范围内，经过一个完整的铬酸阳极化程序后，查看“窝气”程度如下表1-1所示。

表1-1  装夹角度对“窝气”程度的影响

从表1得知，当装夹时工件与水平方向呈90°角时，凹槽处留存的气体较多，无法再短时间内及时排出，而当工件与水平方向呈90°角时，凹槽处气体留存较少，经风搅拌之后能够及时排除，避免“窝气”。但是将工件装夹到绝对90°是极其困难的，所以正常装夹时能保证角度在90°±5°范围内即可。

1.3.3搅拌时风搅拌程度对“窝气”现象的影响

在铬酸阳极化过程中，要进行风搅拌，防止局部过热，导致电击伤。然而风搅拌的强弱对工件“窝气”现象起到了至关重要的作用。

取18个工艺试验件，3个为一组，每组装夹时试验件与水平方向成90°角，每组试验的槽液温度、浸渍时间都保持一致，并控制在要求范围内，各个槽子风搅拌阀门角度分别控制在20°、30°、40°、50°、60°和70°，经过一个完整的铬酸阳极化程序后，查看“窝气”程度如表1-2所示。这里还需要注意的是，不仅仅要将铬酸阳极化槽液进行风搅拌，其他槽液也需要达到相同的搅拌程度，以使凹槽内才不会有酸液、碱液残留。

表1-2 风搅拌阀门角度对“窝气”程度的影响

由表1-2可知，当风搅拌阀门角度在20°～30°之间时，“窝气”严重，因为此时风搅拌较弱，搅拌过程中无法将试验件凹槽中气体排出，导致“窝气”；在40°～50°之间时，“窝气”现象明显改善，说明此时搅拌的波动将试验件凹槽处的气体及时排出；在60°～70°之间时，会出现“打电”现象，因为此时槽液波动过大，工件出现剧烈晃动，阴极与阳极相接触出现“打电”现象。由此可见，风搅拌阀门角度控制在40°～50°时，能够有效的避免“窝气”的发生。

2.结论

因“直接法”难以推广，故从工艺方法进行研究，通过大量的试验数据，我们发现避免“窝气”的最佳工艺条件为：

（1）装夹工件与水平方向夹角控制在90°±5°范围内时，能够降低“窝气”现象的发生。

（2）各个槽液风搅拌阀门最佳角度为40°～50°之间时，能够降低“窝气”现象的发生。

将以上最佳条件整合做一个最佳工艺试验。取10个工艺试验件按此最佳条件进行一个完整的阳极化处理，试验结果见表2-1。

表2-1  最佳条件下试验结果

从表2-1得知，10个工艺试验件在最佳条件下进行的铬酸阳极化处理只有1件有轻微“窝气”，“窝气”现象仅为10%，可见通过本次工艺试验，有凹槽的机加件能够有效的解决“窝气”现象，极大地提高了航空产品质量。

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