文/万物知识局编辑/万物知识局前言6061-T6铝合金是一种常用的结构材料，具有优异的机械性能和耐腐蚀性，然而，其表面在特定环境下容易被腐蚀，导致性能降低。
为了提高6061-T6铝合金的耐腐蚀性、硬度和附着力，硬质阳极氧化技术应运而生。
硬质阳极氧化通过在铝合金表面形成一层致密的氧化膜，不仅可以提高铝合金的耐腐蚀性，还可以增加硬度和改善表面附着力。
在各种铝合金部件的表面上生成阳极涂层，以增强其表面性能，MIL-A-8625F 军用标准中给出了众所周知的阳极涂层分类，其中硬质阳极涂层属于 III 类。
阳极涂层阳极涂层是在电解过程中形成的，它们的厚度应与通过电解池的电荷成正比，涂层形成的动力学还取决于其在酸性电解质中的溶解速率。
阳极涂层的溶解速率取决于电解质的化学成分及其温度，硬质阳极氧化的特点是镀液温度低（约 273 K）和高电流密度，前者确保涂层的溶解速率较低。
硬质阳极氧化工艺产生的涂层通常厚、硬且耐磨，其典型厚度在 12.7 至 114 µm 之间，该标准还规定了涂层耐磨性、耐腐蚀性、厚度和质量的表征方法。
阳极涂层的耐磨性很大程度上取决于阳极氧化条件和合金的化学成分，最耐磨的涂层是在纯铝上生产的涂层。
对于 Al-Mg-Si 和 Al-Zn-Mg 变形合金也很容易获得令人满意的结果，一般来说，合金元素浓度的增加导致耐磨性下降。
对于富铜和富硅合金尤其如此，这两种合金元素还会降低阳极涂层的硬度和耐腐蚀性，铜与铝和其他合金元素，形成金属间相2铜镁和铝铜镍。
在形成阳极涂层的过程中，它们溶解在阳极氧化液中而不是被氧化，阳极氧化过程中硅仅被轻微氧化。
它以共晶形式存在于合金中，导致阳极涂层厚度显著不均匀，6061铝合金由于其沉淀硬化后良好的机械性能而被广泛应用，例如在飞机工业中。
其主要合金元素是镁和硅，可以很容易地在该合金上产生高质量的阳极涂层，它们的耐腐蚀性、耐侵蚀性和耐磨性以及硬度和疲劳寿命等性能已经确定。
耐磨性通常采用不同的方法来测试，例如喷射磨损和砂轮测试，销盘法和球盘法也经常用于量化涂层的摩擦学性能。
阳极涂层的硬度通常在其横截面上测量，它很大程度上取决于合金的化学成分，对于 6061 合金，硬度在 420 至 490 HV 之间，并且不取决于涂层的厚度。
在这项工作中，采用标准直流工艺在 6061 合金上生产阳极涂层，阳极氧化工艺并未针对最佳耐磨性或涂层硬度进行优化。
这项工作的目的是了解涂层机械性能之间的关系，例如使用 测定的耐磨性、硬度和对基材的附着力，还确定了涂层厚度对这些性能的影响。
使用配备金刚石触针轮廓仪对涂层表面形貌进行分析，评估长度等于5.6毫米，应用五个连续的0.8毫米的切割长度。
使用配备EDS系统的扫描电子显微镜 (SEM) Hitachi S-3400 N 评估涂层的微观结构，阳极涂层的厚度通过其横截面的显微镜检查来确定。
涂层以 60 rpm 的速度旋转，并使用 CS-17 砂轮在9.81 N的负载下进行研磨。
涂层的耐磨性量化为 10,000 转后的重量损失，每转500转后测定一次重量损失，目的是评估磨损动力学，砂轮每转500转就需要重新打磨一次，以更新其表面。
使用维氏硬度计（CSM Instruments）测量涂层表面及其横截面的硬度。
对于前者，采用 4 µm 的恒定穿透深度，对于后者，制备了金相试样，测量是在涂层中心施加 50 mN 负载时进行的。
划痕测试使用配备洛氏金刚石触针的划痕测试仪（CSM Instruments）进行，在恒定负载10N下进行测试；在5毫米距离处，触笔的速度等于10毫米分钟。
涂层的微观结构、厚度和粗糙度沉淀硬化基体的显微组织成分为：α-Al固溶体和金属间相颗粒，由于铁是铝中最常见的杂质之一，因此富铁金属间相的颗粒始终存在于基体中。
它们在阳极氧化过程中溶解在镀液中，观察到涂层中的大孔，沉淀硬化型Al-Mg-Si合金的特征是在基体中分散有细小的β-Mg 2 Si相颗粒。
它们在人工时效过程中沉淀并增加合金的硬度，由于应用放大，它们不可见。
由于这些颗粒在阳极氧化过程中很容易发生氧化，因此它们在合金中的存在不会对涂层的性能产生不利影响。
对在阳极氧化的不同时间，获得的涂层的横截面，进行显微镜检查，阳极氧化 7 分钟后，获得的涂层非常薄，对较厚涂层的检查表明其厚度均匀。
在显微照片中，涂层中的裂纹是可见的，阳极氧化层开裂的主要原因有两个，第一个是阳极镀层与金属基体热膨胀系数，显着差异引起的热应力。
当涂层从冷浴（273 K）中取出并在室温下装满水的槽中冲洗时，可能会出现裂纹，另一种是机械应力，制备金相横截面时可能会出现裂纹。
涂层的厚度通过使用涡流和显微技术来测定，金相试样的制备和使用扫描电子显微镜进行检查，获得的值范围在 19 至 45 μm 之间。
通过破坏性和非破坏性技术确定的厚度之间，实现了非常好的相关性，获得的涂层厚度 等于1μm，并且随时间线性增加，60分钟后达到43μm。
所获得涂层表面形貌的表征对于了解其摩擦学特性是必要的，使用两个振幅参数R a和R z来评价表面的粗糙度。
前者定义为在一定长度上表面轮廓与平均线的平均偏差，后者解释了平均五个最高峰和最低谷之间的高度差异。
它对偶尔出现的高峰或深谷比R a更敏感，确定非阳极氧化样品的粗糙度参数值。
仅在与阳极氧化样品相同的条件下进行脱脂和蚀刻，粗糙度参数是在两个相互垂直的方向X和Y上确定的。
第一个垂直于滚动方向，另一个平行，与Y方向获得的值相比，X方向确定的R a和R z值较低方向。
轧制板材的粗糙度取决于轧机的粗糙度，没有规定板材的粗糙度，在与轧制方向垂直或平行的方向上较高。
在与未涂覆的预处理样品（脱脂和蚀刻）相比时，阳极涂层的粗糙度明显更高，沿着X方向， R a和R z的值实际上，不取决于涂层的厚度。
对于Y方向，R a和R z每种涂层的值都较高，这是由于未涂层样品的值较高，对于厚度为43μm的涂层，观察到两个粗糙度参数的最高值。
阳极涂层的粗糙度随其厚度的增加而增加，涂层的粗糙度取决于镀液的化学成分。
与在硫酸水溶液中获得的涂层相比，在草酸水溶液中获得的涂层更光滑，阳极氧化温度和电流密度越高，阳极涂层的粗糙度越高。
它还取决于预处理过程，在这项工作中，样品在强碱性溶液中进行脱脂和蚀刻，它使表面变得粗糙并影响涂层的最终粗糙度。
只有经常对砂轮进行修磨，才能实现重量损失与转数的这种线性关系。
据观察，当砂轮表面没有更新时，10,000转后的重量损失大约等于真实值的70%，会出现明显的线性偏差，是因为10,000转后的重量损失值会被低估耐磨性通过 10,000 转后样品的重量损失来定量测定，误差线代表 3 个样本计算的平均重量损失的标准偏差，涂层厚度越大，其耐磨性越好。
重量损失随着涂层厚度的增加而线性减少，根据 MIL-A-8625F 标准，在这种合金上生产的涂层的重量损失应低于每 1000 转 1.5 毫克。
阳极涂层（以及一般其他材料）的耐磨性取决于两个因素，第一个与材料本身完全相关的是它的硬度，保护涂层越硬，其耐磨性越好。
另一方面与涂层表面的粗糙度有关，当它很高时，涂层的磨损就会增加。
在接下来的工作中，最厚且同时最粗糙的涂层获得了最佳的耐磨性，上述涂层可能是所有生产的涂层中最硬的。
令人惊讶的是，对涂层横截面进行的硬度测试结果并不支持这一假设，提出了测定涂层硬度的替代方法，获得的结果支持这样的假设：最硬的涂层可以获得最佳的耐磨性。
一方面，致密涂层获得了良好的耐磨性，另一方面，获得最厚涂层所需的延长时间应有利于其溶解，并导致孔隙率增加。
可以得出结论，在阳极氧化的应用条件下，溶解动力学非常低，以至于在阳极氧化 60 分钟后，没有观察到涂层孔隙率的显着增加。
与相同厚度但未退火的涂层相比，在 373 K 下退火的涂层不会降低耐磨性，如果涂层经过浸渍或涂漆，则必须对其进行热处理。
对于某些应用，例如在飞机工业中，硬质阳极涂层的耐磨性不足，但可以通过降低其摩擦系数来改善。
硬质阳极涂层有时会浸渍在聚四氟乙烯 (PTFE) 或二硫化钼颗粒的水悬浮液中，对涂层进行退火，退火温度不应超过合金的时效温度，金属基材的硬度会降低。
这里需要注意的是，退火前的镀层要仔细干燥，如果不是这种情况，涂层就会发生化学密封，当温度高于353K时。
Al 2 O 3发生水化，形成Al 2 O 3 ·H 2 O，此过程会降低涂层的耐磨性，它不用于硬质阳极涂层。
化学封孔通常用于出于防腐目的而生产的阳极涂层，它们通常密封在去离子水 (368 K)、蒸汽或重金属盐的水溶液中，例如重铬酸钠、乙酸镍和乙酸钴。
在不同负载值下测量涂层表面的硬度，以实现每个涂层的相同渗透深度等于 4 μm，涂层的外部部分在泰伯测试中被磨损。
涂层的硬度并不随着厚度的增加而降低，由于硬度值存在很大的不确定性，涂层的硬度和耐磨性之间的预期相关性尚未得到证实。
一般来说，可靠地确定阳极涂层表面的硬度可能是有问题的，一方面，涂层的渗透要浅，以避免软基材的影响，另一方面，由于表面非常粗糙，它应该足够深。
由于在表面测量的涂层硬度与涂层厚度的关系尚不清楚，因此提出了另一种方法。
阳极涂层的硬度，是根据在恒定负载下，进行的划痕测试的结果推导出来的，测量的渗透深度应与涂层的硬度成正比。
与在涂层横截面测量硬度相比，该方法的优点在于，它考虑了涂层内垂直于表面方向的应力状态。
这决定了其耐磨性，与在涂层表面测量的硬度相比，表面粗糙度对结果的影响较小，因为穿透深度可以在划痕的长距离上进行平均。
渗透深度随着涂层厚度的增加而减小，当在垂直于轧制方向的方向和平行于轧制方向的方向上产生划痕时，都会出现这种依赖性。
这意味着涂层的硬度随着其厚度的增加而增加，这一结论与涂层的耐磨性一致，最硬的涂层最耐磨，它显示了该方法相对于标准硬度测试的优势。
提出了测定涂层硬度的新方法，在恒定负载下进行划痕测试时，硬度与触针的穿透深度成反比。
毫无疑问，该方法具有以下优点，获得的结果对应于涂层的耐磨性，与在涂层横截面上获得的硬度测试结果相反。
与在涂层表面测量的硬度相比，它对由于孔隙和裂纹等缺陷，而导致的涂层硬度的偶然变化不太敏感。
概括地说，所提出的方法可用于简单区分所产生的涂层，例如在各种参数下，与泰伯磨损试验相比，它更便宜且耗时更少。
已经表明所生产的涂层的耐磨性随着其厚度的增加而增加，最厚的涂层可获得最佳的耐磨性。
总结通过对6061-T6铝合金硬质阳极氧化膜的溶解速率的表征方法进行研究，得出了溶解速率与溶液浓度、氧化膜微观形貌、工艺参数和氧化液成分等因素之间的关系。
这为优化硬质阳极氧化工艺，提高铝合金耐腐蚀性、硬度和附着力提供了理论基础。
进一步的研究可以探索其他影响硬质阳极氧化膜溶解速率的因素，并寻找更有效的表征方法，进一步提升6061-T6铝合金的性能。