铝或铝合金阳极氧化的一般原理.pdf

铝或铝合金阳极氧化的一般原理以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中,利用电解作用,使其表面形成氧化铝薄膜的过程,称为铝及铝合金的阳极氧化处理铝阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理当电流通过时,将发生以下的反应：在阴极上,按下列反应放出H2：2H+2e H2在阳极上,4OH4e2H2O+O2,析出的氧不仅是分子态的氧(O2),还包括原子氧(O),以及离子氧(O-2),通常在反应中以分子氧表示作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化,形成无水的12O3膜：4A1+3O2=2A12O3+3351J 应指出,生成的氧并不是全部与铝作用,一部分以气态的形式析出阳极氧化的种类阳极氧化早就在工业上得到广泛应用冠以不同名称的方法繁多,归纳起来有以下几种分类方法：按电流型式分有：直流电阳极氧化；交流电阳极氧化；以及可缩短达到要求厚度的生产时间，膜层既厚又均匀致密,且抗蚀性显着提高的脉冲电流阳极氧化按电解液分有：硫酸、草酸、铬酸、混合酸和以磺基有机酸为主溶液的自然着色阳极氧化按膜层性质分有：普通膜、硬质膜(厚膜)、瓷质膜、光亮修饰层、半导体作用的阻挡层等阳极氧化直流电硫酸阳极氧化法的应用最为普遍,这是因为它具有适用于铝及大部分铝合金的阳极氧化处理；膜层较厚、硬而耐磨、封孔后可获得更好的抗蚀性；膜层无色透明、吸附能力强极易着色；处理电压较低,耗电少；处理过程不必改变电压周期,有利于连续生产和实践操作自动化；硫酸对人身的危害较铬酸小,货源广,价格低等优点。

近十年来,我国的建筑业逐步使用铝门窗及其它装饰铝材,它们的表面处理生产线都是采用这种方法阳极氧化膜结构、性质与应用 1)阳极氧化膜的结构阳极氧化膜由两层组成,多孔的厚的外层是在具有介电性质的致密的内层上成长起来的,后者称为阻挡层(亦称活性层)1)阻挡层阻挡层是由无水的A12O3所组成,薄而致密,具有高的硬度和阻止电流通过的作用2)多孔的外层氧化膜多孔的外层主要是由非晶型的A12O3及少量的 r-A12O3.H2O 还含有电解液的阴离子氧化膜的絶大部分优良特性,如抗蚀、耐磨、吸附、绝缘等性能都是由多孔外层的厚度及孔隙率所决定的,然而这两者却与阳极氧化条件密切相关,因此可通过改变阳极化条件来获得满足不同使用要求的膜层膜厚是阳极氧化制品一个很主要的性能指针,其值的大小直接影响着膜层耐蚀、耐磨、绝缘及化学着色能力在常规的阳极氧化过程中,膜层随着时间的增加而增厚在逹到最大厚度之后,则随着处理时间的延长而逐渐变薄,有些合金如A1-Mg、A1-Mg-Zn 合金表现得特别明显因此,氧化的时间一般控制在逹最大膜厚时间之内2)阳极氧化膜的性质与应用阳极氧化膜具有较高的硬度和耐磨性、极强的附着能力、较强的吸附能力、良好的抗蚀性和电绝缘性及高的热绝缘性。

由于这些特异的性能,使之在各方面都获得了广泛的应用以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中,利用电解作用,使其表面形成氧化铝薄膜的过程,称为铝及铝合金的阳极氧化处理铝阳极氧化的原理实质上就是水电解的原理当电流通过时,将发生以下的反应：在阴极上,按下列反应放出H2：2H+2e H2 在阳极上,4OH4e2H2O+O2,析出的氧不仅是分子态的氧(O2),还包括原子氧(O),以及离子氧(O-2),通常在反应中以分子氧表示作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化,形成无水的A12O3膜：4A1+3O2=2A12O3+3351J应指出,生成的氧并不是全部与铝作用,一部分以气态的形式析出阳极氧化的种类阳极氧化早就在工业上得到广泛应用冠以不同名称的方法繁多,归纳起来有以下几种分类方法：按电流型式分有：直流电阳极氧化；交流电阳极氧化；以及可缩短达到要求厚度的生产时间，膜层既厚又均匀致密,且抗蚀性显着提高的脉冲电流阳极氧化按电解液分有：硫酸、草酸、铬酸、混合酸和以磺基有机酸为主溶液的自然着色阳极氧化按膜层性质分有：普通膜、硬质膜(厚膜)、瓷质膜、光亮修饰层、半导体作用的阻挡层等阳极氧化直流电硫酸阳极氧化法的应用最为普遍,这是因为它具有适用于铝及大部分铝合金的阳极氧化处理；膜层较厚、硬而耐磨、封孔后可获得更好的抗蚀性；膜层无色透明、吸附能力强极易着色；处理电压较低,耗电少；处理过程不必改变电压周期,有利于连续生产和实践操作自动化；硫酸对人身的危害较铬酸小,货源广,价格低等优点。

名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 12 页 -铝及铝合金阳极氧化工艺1、引言铝为面心立方结构，有较好的导电性和导热性，仅次于Au、Ag、Cu，延展性好、塑性高，可进行各种机械加工铝的化学性质活泼，在干燥空气中铝的表面立即形成厚约5nm 的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；但铝的粉末与空气混合则极易燃烧；熔融的铝能与水猛烈反应，高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属；铝是两性的，既易溶于强碱，也能溶于稀酸铝在大气中具有良好的耐蚀性，但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金铝合金的突出特点是密度小、强度高铝中加入Mn、Mg 形成的 Al-Mn、Al-Mg 合金具有很好的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度，称为防锈铝合金，用于制造油箱、容器、管道、铆钉等硬铝合金的强度较防锈铝合金高，但防蚀性能有所下降，这类合金有Al-Cu-Mg系和 Al-Cu-Mg-Zn系新近开发的高强度硬铝，强度进一步提高，而密度比普通硬铝减小15，且能挤压成形，可用作摩托车骨架和轮圈等构件Al-Li 合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材因为在铝中加入 3 5(质量分数)的比铝更轻的金属锂，就可以制造出强度比纯铝高20 25，密度仅 2.5t/m3 的铝锂合金。

这种合金用在大型客机上，可使飞机的重量减少5t 多，而载客人数不减少将铝及其合金置于适当的电解液中作为阳极进行通电处理，此处理过程称为阳极氧化经过阳极氧化，铝表面能生成厚度为几个至几百微米的氧化膜这层氧化膜的表面是多孔蜂窝状的，比起铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高采用不同的电解液和工艺条件，就能得到不同性质的阳极氧化膜早在 1896 年，Pollak 就提出了在硼酸或磷酸溶液中直流电解，可得到“堡垒”型氧化膜的专利到 20 年代，这个工艺在工业上用于制造电解电容阳极氧化最初的商业应用是铬酸阳极氧化G D Bengough 和 J M Stuart 在研究铝上镀铬时，因接错线发现了铝表面生成了阳极氧化膜当时的电解液的组成是250g/L 铬酸，2.5g/L 硫酸后来人们进一步研究发现，这种氧化膜可以被墨水或染料染色，氧化膜厚度为35m，工作电压约50V这种工艺首先用于飞机制造业，用于油漆的底层，防止裂纹和提高耐蚀性1927 年，日本的Kujirai 和 Ueki 首先采用草酸电解液阳极氧化，可以得到15mm 以上的氧化膜，但工作电压比硫酸阳极氧化高这种工艺先在日本普及，后来传到德国，逐步被欧洲人采用，用于店面和建筑物的装饰。

1927 年，Gower、Stafford O Brien 和 Partners4 发表了硫酸阳极氧化的专利，氧化的电流密度为0.71.3A/dm2，这种电流密度一直延用到现在硫酸阳极氧化与草酸和铬酸阳极氧化相比，工作电压更低，电解液成本更小，操作更简单，氧化膜装饰性更强，所以这种工艺很快得到完善和普及目前 95以上的阳极氧化是在硫酸中进行的，阳极氧化如果没有特别指明，通常是指硫酸阳极氧化名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 12 页 -2、前处理 2.1 脱脂和除油铝及铝合金早期是延用钢铁的除油工艺，即：槽液为Na2Co3、Na2SiO3、Na3PO4 溶液，操作温度为 4070，时间为515min这种工艺性能稳定，寿命长，但槽液成本高，不易洗净，现在基本不用20 世纪 60 年代，人们采用 NaOH 或 Na2CO3 加 Na3PO4、络合剂、非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂，在室温下脱脂，时间为35min这种工艺除油效率高，成本低，节能，但槽液易产生絮状沉淀，络合剂、表面活性剂易带入后续槽形成污染现在少数厂仍在使用从 80 年代开始，酸性脱脂槽液逐步普及，槽液为 H2SO4 或 H2PO4，加 HF、Fe3+、H202、NO2-和非离子表面活性剂，室温下操作，时间为35min。

这种工艺效率高，不污染后续槽，是较好的脱脂工艺，现在应用越来越广泛典型工艺：H2SO4 10g/L H3PO4 10g/L HNO3 10g/L HF 10g/L 表面活性剂 2g/L 过硫酸钠 5g/L 温度 4570时间 10120s 2.2 碱腐蚀铝及其合金阳极氧化之前需要除去致密但不均匀的自然氧化膜，对高硅铝合金，采用HN03、HF 混合溶液，在室温下操作，时间35min，工作时会产生有毒气体一般不用于其他铝合金，其他铝合金采用以NaOH 溶液为主的碱性槽液，NaOH 的浓度为 3070g/L，操作温度为4080，时间为 310min碱腐蚀工艺维护简单，成本低，腐蚀效果好，易于除去铝合金表面的加工条纹，是阳极氧化重要的配套工艺目前单独使用NaOH 溶液作碱腐蚀已很少见，往往加入葡萄糖酸钠、柠檬酸钠等络合剂，防止槽液中Al(OH)3 沉淀，即所谓“长寿碱”加入硫化物，防止重金属在铝合金表面发生置换反应，消除“流痕”也有的加入氟化物和硝酸盐，用于产生无光砂面效果2.3 电解抛光机械抛光后阳极氧化，往往很难保持抛光后的光泽，这主要是机械抛光的局部表面压力不均，阳极氧化产生无光表面，所以机械抛光不能直接用于光亮阳极氧化。

1934 年在英国和美国，几乎同时发明了电解抛光工艺“Brytal”和“Alzak”，在碱性(Brytal工艺)或氟硼酸(Alzak 工艺)溶液中阳极电解1020min，得到较高反射率的表面，并在阳极氧化后继续保持下来电解抛光是利用电流的作用，使铝合金发生电化学反应，在铝合金表面凸凹不平的部分发生不同程度的溶解，使铝件表面产生光滑的镜面效果电解抛光的铝件，经过后续的阳极氧化处理仍能保持大部分光泽电解抛光的铝件有较好的耐蚀性，即使未经阳极氧化处理也能在大名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 12 页 -气中很长时间不锈蚀，保持原有的光泽二次世界大战，铝的反光镜需求大，这一期间铝的电解抛光发展很快高纯铝片(99.99)经过电解抛光，可以得到反射率接近100的镜面效果铝片的纯度越高得到的反射率越高常用的工艺有：磷酸-铬酸型，磷酸-硫酸，铬酸型，高氯酸-醋酸型，磷酸-硫酸-甘油型，氟硼酸型，碳酸钠-磷酸钠型，氢氧化钾-铬酸型操作温度为室温至90，电流密度1020A/dm2，有的工艺高达150A/dm2电解抛光的主要污染物是六价铬，近年来，随着环保意识的加强，不含铬酸的电解抛光处理液逐步盛行。

不含铬酸的电解抛光处理液的主要问题是，对有些合金抛光不够亮另外，铝合金在这种处理液中抛光后，不通电的条件下亮度会迅速下降，需要立即从处理液中取出、水洗，这给该工艺的广泛应用带来一定的影响后来，有人在这种处理液中添加某种添加剂，使这两个问题有所缓解电解抛光工艺成熟，污染小，但工作电流大，成本高，目前用于高亮度、高装饰性铝件的加工2.4 化学抛光化学抛光是40 年代后期发明的，当时Henley 在做磷酸-硫酸型的电解抛光，没有通电时，发现铝件的腐蚀有光亮效果，接着他仔细研究了这个现象，得到最早的化学抛光工艺：磷酸 75(体积)，硫酸 25(体积)，操作温度为90100后来人们发现在上述工艺中加10的硝酸，可以得到特别光亮的效果，这时化学抛光才在工业中应用起来，相应的专利陆续公布光亮阳极氧化稳定地进入市场，替代了部分钢或铜上镀镍-铬工艺化学抛光不需要通电，也不需要专用夹具，操作简单，但需要良好的加热和通风设备，使用高纯铝能得到反射率为100的效果，普通铝合金也能达到装饰性的光泽度由于化学抛光比电解抛光成本低，所以大。