利用正交实验法优化铝合金阳极氧化的工艺研究

利用正交实验法优化铝合金阳极氧化的工艺研究

吴君君

吴君君

中航飞机股份有限公司汉中飞机分公司陕西汉中723215

摘要：2024铝合金普遍被各大工业领头军企业在实际生产中使用，但是由于其处于自然情况下进行氧化作用所形成的薄层难以满足现在产品所需要的氧化膜厚度标准，为此提出利用正交实验法优化2024板材阳极氧化的实验工艺。以2024板材为参照，基于硫酸溶剂这一标准，确定选择硫酸浓度、氧化时间等条件作为工艺参数来评价工艺质量，依托正交实验设计取得工艺的阳极氧化工艺结果数据，以期寻找优化该工艺的条件。通过结果分析得出，在相同参数下，硫酸溶剂浓度参数为180g/L、氧化时间参数为33min，实验效果最好。

关键词：正交实验法；铝合金；阳极氧化；工艺研究；

引言

现在，铝合金作为一种新型的合成型使用资源在社会各界被广泛征用。它具有密度小、重量轻、硬度适度、强导电等特性，而且它还极易成型，并且成本低廉，这些优势都使得它在航天航空行业、轻工业、建筑行业、桥梁行业、船舶行业等领域占据了重要的地位[1]。目前，2024铝合金是主要被用于飞机制造过程中大多部件的原始材料。它暴露在空气当中时，会发生氧化反应，使其在合金表层结成一层密集的氧化薄层[2]。这层薄层能够阻挡铝合金与外界接触，从而在一定程度上阻止了铝合金的腐蚀。但是由于在空气当中的O含量不能够支撑整个氧化反应的进行，并且由于空气中并未具有反应时所必需的电解液，所以经过自然氧化所形成的合金表层的薄膜的坚硬程度、对腐蚀的承耐性等相对来说都很差，因此铝合金材料在各个工业领域中并不能直接使用。隶属于2000系列的铝合金大多都具有一个普遍性的问题就是，它们含有的Cu成分使得其极其可能被腐蚀掉[3]。对其进行阳极氧化试验，能够显著地增强它对于腐蚀的承耐功用性。所以，为了改善合金表层的薄膜的功用性，使其能够更好地适用于各大工业领域，就必须对阳极氧化进行优化。本文利用正交实验法，以2024铝合金为基础，采用硫酸电解液，对其进行阳极氧化实验。本文选择硫酸浓度、氧化时间等工艺条件的参数来作为评价质量的指标，以期寻找优化试验的条件。

1基于正交实验法的氧化工艺设计

1.1工艺流程设计

一般来说，该技术在各大工业领域的应用上均采用如图1的氧化流程，文中利用正交实验法设计对该工艺的优化也按此流程进行[4]。

图1阳极氧化工艺流程图

1.2工艺材料与仪器

该工艺选取铝合金材料2024-T3板材为基础样本，在该操作工艺过程中，所择取的试剂和调节药品一般均为工厂适用品。所需浓度的硫酸电解液自行配备[5]、可控制的电压时间装置，可控温的工业水洗装置等。

1.3工艺方法及测算

该工艺的基本方法是：在所选取的2024-T3板材上，择取部分待测试样本，样本表面积L约为2平方米，放入除油溶液中，脱去油脂[6]，进行水洗、风干后，将样本检测，测出氧化膜厚度N1、N2、Nn（精确至0.01mg）。然后按图1氧化工艺流程将样本放入温度为（24±3）℃的硫酸溶液中进行通电氧化，氧化时间分别为30min、33min、35min，然后取出样本，进行水洗、封闭处理，待室温干燥后进行氧化膜厚度测试，得出Ma、Mb、Mn。

计算：氧化膜厚度S=（N1-M1）/L×100%，

判定方式：氧化膜厚度越大，阳极氧化效果越好。说明在当时条件下，最适合阳极氧化工艺。

2基于正交实验法优化的氧化工艺设计结果研究

根据我们的生产经验与研究分析，经过多次单因子对比分析，将正交试验设计为：阳极氧化时间、硫酸电解液浓度等2个因素，每因素设定为3个水平（见表1），用正交表安排工艺结果分析（见表2）。

表1设置工艺安排参数

由上述工艺结果数据可以看出，在自制浓度相同的硫酸溶剂中，设置相同的电压及温度的条件下，对该工艺中的时间参数进行调整，然后比较在不同的氧化时间下所得到的试验后的氧化膜的厚度数据，具体的工艺结果见表2。可以得知，在一定的浓度条件内，氧化膜的厚度随氧化时间的增幅处于先增后减的趋势，这也就意味着氧化时间在33min时，阳极氧化效果愈最好，所以其较好的工艺参数是氧化时间为33min。此外，在择取的氧化时间相同的情况下，设置同样的电压及温度的条件下，对该工艺中的浓度参数进行调整，然后比较在不同的溶液浓度下所得到的的试验后的氧化膜的厚度数据，具体的工艺结果见表2。可以得知，在一定的时间条件下，氧化膜的厚度随溶剂浓度的增幅处于先增后减的趋势，这也就意味着硫酸溶剂浓度参数为180g/L时，阳极氧化效果最明显，所以其较好的工艺参数是硫酸浓度数据为180g/L。

由此，我们可以得出，在正交实验设计下，对于阳极氧化工艺的优化方法及工艺操作是值得推广的，它能有效的增加该材料在氧化反应中的隔离薄膜的厚度，提高防腐蚀性，从根本上解决了铝合金在企业适用中的难题。

3结束语

本文对正交实验设计下阳极氧化工艺的优化方法及工艺操作进行分析，依托2024-T3板材作为基础样本，择取硫酸浓度、氧化时间两个基本条件作为工艺操作参数来设计该过程。根据正交实验设计下取得试验的阳极氧化工艺结果，实现本文工艺设计流程。工艺结果表明，在相同的工艺参数条件设计下，硫酸浓度为180g/L、氧化时间为为33min的参数更有效。希望本文的研究能够为铝合金的阳极氧化优化工艺提供有效的指导意义。

参考文献：

[1]张培，左禹，白鹿，等.铝合金阳极氧化对氧化膜显微硬度和粘接性能的影响[J].材料保护，2017，50（1）：53-58.

[2]濮春保，宋胜利.基于人工神经网络的铝铜合金硬质阳极氧化工艺优化[J].表面技术，2017，46（3）：184-188.

[3]何潘亮，沈士泰，卫国英.硫酸-有机酸混合酸体系中铝合金硬质氧化膜的研究[J].电镀与环保，2017，37（6）：25-28.