工藝技術_陽極處理

陽極處理1.陽極處理的目的與應用 一般鋁合金很容易氧化，氧化層雖有一定鈍化作用，但長期曝露之結果，氧化層仍會剝落，喪失保護作用，因此陽極處理的目的即利用其易氧化之特性，藉電化學方法控制氧化層之生成，以防止鋁材進一步氧化，同時增加表面的機械性質。另一目的是，藉不同化成反應，產生各種色澤（發(fā)色）增進美觀。鋁合金陽極處理應用廣泛，飛機 皮、軍事武器、復印機抄紙滾桶、建筑物鋁帷幕、鋁門窗等。 2.制程 于電解槽中，將金屬（如鋁或鋁合金）工件置于陽極，施加一定電壓與電流，促使工件表面形成附著良好的氧化層。簡要而言，發(fā)生下述反應； 陽極：Me XH2O MeOX 2XH 2Xe 陰極：H2O e 1/2H 2 OH 一般而言，陽極處理工程流程例如下： 工件 脫脂（） 水洗 化學光澤（） 水洗 脫漬（） 水洗 陽極處理 （） 水洗 封孔（） 水洗 干燥 上述流程中，主要步驟的化學溶液如下： （）有抑制劑之熱堿洗液，6070 （）H3PO4HNO3溶液，88110 （）2535HNO3，常溫 （）15H2SO4，2125 （）100H2O 3.陽極處理電解液 鋁合金陽極處理使用的電解液有很多種，每一種電解液的主要化學成份不同，經其處理后的皮膜組織不同，性質也因之有所差異；有些場合即以電解液歸類制程。文獻資料有很多不同的配方例，以下每一種僅舉一例，但并非僅有此種配方。 i）硫酸液 例如Alumilite制程含1520硫酸，電壓是1422伏特，電流密度是12A/dm2，操作溫度1825，處理時間1060分鐘，皮膜厚度335m，皮膜呈無色透明。 硫酸液制程所得皮膜抗蝕性良好，而且抗磨耗性佳，此制程若將操作溫度降至5以下，硫酸濃度降至7左右，處理電壓提高至23120伏特，可以長時間處理以獲得厚至200m以上的硬質陽極皮膜，應用于需耐磨耗的場合。 ii）鉻酸液 例如含510鉻酸，電壓是40伏特，電流密度是0.150.30A/dm2，操作溫度35，處理時間30分鐘，所得皮膜約23m，皮膜呈灰色或灰綠色，具有良好的抗蝕性，但耐磨耗性較差，在應用上方能不需封孔。 iii）草酸液 例如Eloxal GX制程含35草酸，電壓是4060伏特，電流密度是12A/dm2，操作溫度1820，處理時間4060分鐘，皮膜呈黃色，厚度1065m，此制程成本高于硫酸液制程。操作溫度可以降至35，經長時間處理以獲得厚達625m的皮膜。草酸液的色澤較多樣化。 iv）磷酸液 例如含10磷酸，電壓是1012伏特，電流密度較不定，操作溫度2325，處理時間2030分鐘，皮膜呈無色，厚度12m；磷酸液處理之皮膜孔隙較大，適于后續(xù)電鍍。 以上四種電鍍液較常用，其原因是，這四種電解液中形成皮膜時，實際上有一定的孔隙，允許鋁持續(xù)溶出以形成皮膜，同時其皮膜具有一定的溶解度，因此皮膜可以持續(xù)成長至其溶解速度與成長速度相等為止，但是，它種電解液如硼酸液，酒石酸液等，其生成的皮膜很致密，不易再允許鋁經由電解溶出，因之僅能形成很薄的皮膜。4.陽極處理皮膜形成機構 圖一是陽極處理皮膜的掃描式電子顯微（SEM）照片，其顯示皮膜層實際上是呈管胞（cellular tube）組織，其底部似一般試管底部呈圓弧狀。形成此種組織型態(tài)的過程如圖二說明。開始通電時，鋁陽極表面的某些部位開始溶解（time1），時間增長，鋁溶解量增加，但是陽極表面開始呈現(xiàn)凹凸不平的粗度（time2），十間續(xù)增，由于凹凸不平造成溶解速率不一，溶解較快的部位逐漸凹陷，于此同時，溶解的鋁離子逐漸生成氫氧化鋁與氧化鋁沉積在表面，但是仍留有孔隙以供溶解反應繼續(xù)進行，長時間之后，堆積的沉淀即形成”管壁”，管壁的主要成份是含水氧化鋁或膠狀氫氧化鋁，愈近管壁中央含水量愈少，愈近純氧化鋁，如圖三所示，近電解液區(qū)域即為鋁溶解并沉積的區(qū)域，沉積愈久，則愈致密。 電解液的種類，陽極處理操作條件等，影響皮膜管胞的大小與數(shù)目，表10-1提供一比較之例，操作電壓愈大，形成管胞數(shù)目愈少，管胞數(shù)目則依電解液隨下述順序遞減。 硫酸草酸鉻酸磷酸 5.封孔（Sealing） 陽極處理皮膜是經由溶解與沉積形成管胞狀，因此處理之后的皮膜，自電解衣取出后，充滿著孔隙，而且可能含有大量水份，必須再經封孔程序才能獲得較制密的皮膜。封孔的操作方式通常是在近沸騰的水中浸漬一段時間，陽極處理過程溶解沉積的皮膜是膠狀氫氧化鋁，尤其是管孔內及管口部位，其經過高溫處理后，會轉化成Boemite，成份是-Al2O3、H2O或-AlOOH，含有85的Al2O3，經此轉換與再結晶之后，管胞即被完全填封，成一很致密的皮膜層，此過程如圖四所示。視電解液不同，封孔需求性也不同，如表一所示，硫酸液陽極處理形成的管胞數(shù)目最多，因此最需要進行封孔。封孔操作，除了在水中進行之外，也可以在重鉻酸溶液（例如5g/l重鉻酸鉀）進行，此種封孔處理之后，可以大幅度提高抗蝕性。6.硬質陽極處理 一般陽極處理皮膜經封孔之后即有一定的硬度與保護效果，但是在機械工程，尤其是磨擦機械（如復印機的走紙滾桶）由于使用時間長，常需要更高硬度與高厚度皮膜。皮膜形成的機構如前述，是經由溶解與沉積過程，而沉積的皮膜本身也會再溶解，不易使皮膜長的很厚，因此通常利用低溫（5）減緩皮膜的在再溶解速度，甚至提高電壓以促進鋁電解，增加沉積量，此過程除了增加厚度之外，也可以增大每一管胞的口徑，相對的減少孔隙度；其厚度可以達到200m以上。根據(jù)報導，硬質陽極處理皮膜的耐磨耗性甚至可優(yōu)于硬鉻鍍層。硬質陽極處理皮膜由于很厚，通常會有裂縫，對于耐疲勞性較不利。 7.陽極處理皮膜發(fā)色 鋁金屬呈銀白色，以硫酸或磷酸電解液陽極皮膜處理以后，封孔前其皮膜多呈無色，由于皮膜封孔前具有孔隙，而且陽極處理過程發(fā)生化成反應，因此可以藉控制或改變皮膜成份方式使皮膜具有光澤，這過程稱為發(fā)色。 發(fā)色的原理主要是藉生成有色彩的化合物與皮膜混和以產生色澤，隨著化合物不同，可分成無機發(fā)色與有機發(fā)色。有機發(fā)色采用有機染料，無機發(fā)色則藉用生成無機化合物；一般而言，有機染料不耐高溫，較易變質褪色，無機化合物則較穩(wěn)定。無機發(fā)色的方法有很多種，方法一是，將皮膜依序浸入反應物中，此反應物生成有顏色的填料，經封孔之后，即造成有顏色的皮膜，如： 2CuSO4K4【Fe（CN）6】Cu2【Fe（CN）6】（紅棕色）K2SO4 方法之二是，直接將陽極處理皮膜浸于金屬鹽液，繼之以水解以生成顏色，例如于510草酸鐵與25草酸銨溶液中浸漬，則可生成古銅色。另一種常用方法是，將陽極處理皮膜浸于適當鹽類溶液中，通以交流電，以進行電鍍發(fā)色，例如于50g/l硫酸鎳，30g/l硼酸溶液中，以19伏特交流電，0.50.75A/dm2電流密度處理515分鐘，可得古銅色至灰黑色。圖10-1 陽極處理表面與橫截面SEM照片(2) 圖10-2 陽極處理皮膜成