金屬陽極研修資料-Xue

1、鋁陽極處理技術(shù)鋁陽極處理技術(shù) 作成者: SIPL PQA 薛云江 作成日: 2008-06-27 鋁制品表面的自然氧化鋁既軟又薄，耐蝕性差，不能成為有效防護層更不適合著色。 所以通過人工方法來產(chǎn)生均勻堅固，有較高強度，耐腐蝕，并能著上各類顏色的氧 化膜。 主要的方法是應用化學氧化和陽極氧化。 化學氧化膜與陽極氧化膜相比，膜薄得多，抗蝕性和硬度比較低，而且不易著色， 著色后的耐光性差，所以金屬鋁著色與配色通常采用陽極氧化處理。 目前產(chǎn)品最為常用的方法為硫酸陽極氧化處理方法. 一一.鋁合金陽極處理技術(shù)介紹鋁合金陽極處理技術(shù)介紹 一一. .鋁的鋁的一般特性一般特性 1.化性活潑, 在空氣中易形成氧化

2、鋁膜. 2. 地球上蘊藏豐富,價格相對低廉. 3.機械加工容易,強度/重量比值高. 4.表面處理應用廣泛:陽極處理,鋅置換電鍍,電泳涂裝等. 二二. . 物理性質(zhì)物理性質(zhì) 1.硬度=2.62.9 mohs 2.比重=2.702 g/cm2 3.電阻=2.62*10-6 ohm/cm 三三. .化學性質(zhì)化學性質(zhì) 1. E=-6.5V 2. 4Al(s)+3O2(g) 2Al2O3 3. Al(s)+4OH- Al(OH)4 4. Al +6HNO3 Al3+3NO2+3H2O+3NO3- 一一.鋁合金陽極處理技術(shù)介紹鋁合金陽極處理技術(shù)介紹 一一.鋁合金陽極處理技術(shù)介紹鋁合金陽極處理技術(shù)介紹 四四

3、,工藝流程工藝流程 研磨 噴砂 上掛脫脂 中和水洗 陽極處理 水洗染色水洗封孔水洗 下掛 (堿洗) (酸洗) 化學研磨 干燥 無論采用何種方法加工的鋁材及制品，表面上都會不同程度地存在著污 垢和缺陷，如灰塵、金屬氧化物（天然的或高溫下形成的氧化鋁薄膜）、 殘留油污、瀝青標志、人工搬運手?。ㄖ饕煞质侵舅岷秃幕?物）、焊接熔劑以及腐蝕鹽類、金屬毛刺、輕微的劃擦傷等。因此在氧化 處理之前，用化學和物理的方法對制品表面進行必要的清洗，使其裸露純 凈的金屬基體，以利氧化著色順利進行，從而獲得與基體結(jié)合牢固、色澤 和厚度都滿足要求且具有最佳耐蝕、耐磨、耐候等良好性能的人工膜。 主要處理步驟如下：

4、 （一）脫脂 （二）堿蝕劑 （三）中和和水清洗 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面預處理表面預處理 一，一，脫脂脫脂 鋁及鋁合金表面脫脂有有機溶劑脫脂、表面活性劑脫脂、堿性溶液脫脂、酸性 溶液脫脂、電解脫脂、乳化脫脂。 在這些方法中，以堿性溶液特別是熱氫氧化鈉溶液的脫脂最為有效。 有機溶劑是利用油脂易溶于有機溶劑的特點進行脫脂，常用的溶劑有汽油、煤 油、乙醇、乙酸異戊脂、丙酮、四氯化碳、三氯乙烯等。有機溶劑僅用于小批量小 型的或極污穢的制品脫脂處理。表面活性劑是一些在很低的濃度下，能顯著降低液 體表面張力的物質(zhì)。 常用于脫脂的表面活性劑有肥皂、合成洗滌劑、十二烷基硫酸鈉、十二

5、烷基苯 磺酸鈉等。 堿性脫脂溶液的配方非常多，傳統(tǒng)工藝采用磷酸鈉、氫氧化鈉和硅酸鈉，其中 磷酸鈉和硅酸鈉有緩蝕、潤濕、穩(wěn)定作用，溶液加熱和攪拌有助于獲得最好的脫脂 效果。 油脂在酸的存在下也能進行水解反應生成甘油和相應的高級脂肪酸。 電解脫脂可用陽極電流、陰極電流或交流電。在堿性溶液中陰極電流脫脂，陽 極最好為鍍鎳鋼板。其在鋁及鋁合金表面處理中不常用。 乳化脫脂所用的溶液為互不溶解的水與有機溶劑組成的兩相或多相溶液，并添 加有降低表面張力及對各相均有親和力的去污劑。 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面預表面預處理處理 二，二，堿堿蝕蝕 堿蝕是鋁制品在添加或不添加其他物質(zhì)的氫氧

6、化鈉溶液中進行表面清洗的過程， 通常也稱為堿腐蝕或堿洗。 其作用是作為制品經(jīng)某些脫脂方法脫脂后的補充處理，以便進一步清理表面附 著的油污臟物；清除制品表面的自然氧化膜及輕微的劃擦傷。從而使制品露出純凈 的金屬基體，利于陽極膜的生成并獲得較高質(zhì)量的膜層。此外，通過改變?nèi)芤旱慕M 成、溫度、處理時間及其他操作條件，可得到平滑或緞面無光或光澤等不同狀態(tài)的 蝕洗表面。 蝕洗溶液的基本組成是氫氧化鈉，另外還添加調(diào)節(jié)劑（NaF、硝酸鈉），結(jié)垢抑 制劑（葡萄糖酸鹽、庚酸鹽、酒石酸鹽、阿拉伯膠、糊精等），多價螯合劑（多磷 酸鹽），去污劑。 1,除去工件表面原有之Al2O3不導電層 先進行: Al2O3 +OH-

7、 2Al3+含Al+其它 后進行: Al+NaOH NaAlO2+H2+其它 2,調(diào)節(jié)工件表面的光亮度 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面預表面預處理處理 三，三，中和和水清洗中和和水清洗 鋁制品蝕洗后表面附著的灰色或黑色掛灰在冷的或熱的清水洗中都不溶解，但 卻能溶于酸性溶液中，所以經(jīng)熱堿溶液蝕洗的制品都得進行旨在除去掛灰和殘留堿 液，以露出光亮基本金屬表面的酸浸清洗，這種過程稱為中和、光澤或出光處理。 工藝過程是制品在300-400g/L硝酸（1420kg/立方米）溶液中，室溫下浸洗，浸 洗時間隨金屬組成的不同而有差異，一般浸洗時間3-5分鐘。含硅或錳的鋁合金制品 上的掛灰

8、，可用硝酸和氫氟酸體積比為3:1的混合液，于室溫下處理5-15秒。中和處 理還可以在含硝酸300-400g/L和氧化鉻5-15g/L的溶液或氧化鉻100g/L加硫酸 （1840kg/立方米）10ml/L溶液中于室溫下進行。 各道工序間的水清洗，目的在于徹底除去制品表面的殘留液和可溶于水的反應 產(chǎn)物，使下道工序槽液免遭污染，確保處理效率和質(zhì)量。清洗大多采用一次冷水清 洗。 但堿蝕后的制品普遍采用熱水緊接著是冷水的二重清洗。熱水的溫度為40-60度。 中和處理后的制品經(jīng)水清洗就可以進行氧化處理，所以這道清洗應特別認真，以防 止清潔的表面受污染。否則前幾道工序的有效處理可能會因最后的清洗不當而前功

9、盡棄。 經(jīng)中和、水清洗后的制品應與上進行氧化處理。在空氣中停留的時間不宜過長， 如停留30-40分鐘，制品就需要重新蝕洗和中和。 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面預表面預處理處理 1 1、陽極氧化膜生成的一般原理、陽極氧化膜生成的一般原理 以鋁或鋁合金制品為陽極置于電解質(zhì)溶液中，利用電解作用，使其表面形成氧化鋁 薄膜的過程，稱為鋁及鋁合金的陽極氧化處理。其裝置中陰極為在電解溶液中化學穩(wěn) 定性高的材料，如鉛、不銹鋼、鋁等。鋁陽極氧化的原理實質(zhì)上就是水電解的原理。 當電流通過時，在陰極上，放出氫氣；在陽極上，析出的氧不僅是分子態(tài)的氧，還包 括原子氧（O）和離子氧，通常在反應中以

10、分子氧表示。作為陽極的鋁被其上析出的 氧所氧化，形成無水的氧化鋁膜，生成的氧并不是全部與鋁作用，一部分以氣態(tài)的形 式析出。 1.1.陰極半反應陰極半反應 2H2H+ +2e+2e- - H H2 2( (氫氣氫氣) ) 2.2.陽極半反應陽極半反應 Al Al Al Al 3+ 3+3e +3e- - () () 2H 2H2 2O O OO2 2+4H+4e+4H+4e- - () 3O 3O2 2+4Al +4Al 2Al2Al2 2OO3 3 () Al () Al2 2OO3 3膜生成膜生成 AlAl2 2O O3 3+6H+6H+ + 2Al 2Al 3+ 3+3H +3H2 2O

11、() AlO () Al2 2OO3 3膜溶解膜溶解 (), () 是互相競爭的反應,但當() , () 的反應速率相等時,即表示Al2O3膜的生成與消 失速率相同,膜厚不再增長,即使延長氧化時間,都不再有變化 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):陽極氧化陽極氧化 2 2、陽極氧化膜結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、陽極氧化膜結(jié)構(gòu)、性質(zhì) 陽極氧化膜由兩層組成，多孔的厚的外層是在具有介電性質(zhì)的致密的內(nèi)層上成長起 來的，后者稱為阻擋層（也稱活性層）。 用電子顯微鏡觀察研究，膜層的縱橫面幾乎全都呈現(xiàn)與金屬表面垂直的管狀孔，它 們貫穿膜外層直至氧化膜與金屬界面的阻擋層。以各孔隙為主軸周圍是致密的氧化鋁 構(gòu)成一個

12、蜂窩六棱體，稱為晶胞，整個膜層是又無數(shù)個這樣的晶胞組成。 阻擋層是又無水的氧化鋁所組成，薄而致密，具有高的硬度和阻止電流通過的作用 。阻擋層厚約0.03-0.05m，為總膜后的0.5%-2.0%。 氧化膜多孔的外層主要是又非晶型的氧化鋁及小量的水合氧化鋁所組成，此外還含 有電解液的陽離子。 當電解液為硫酸時，膜層中硫酸鹽含量在正常情況下為13%-17%。 氧化膜的大部分優(yōu)良特性都是由多孔外層的厚度及孔隙率所決定的，它們都與陽極 氧化條件密切相關。 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):陽極氧化陽極氧化 3 3、氧化膜成長機理、氧化膜成長機理 在硫酸電解液中陽極氧化，作為陽極的鋁制品，

13、在陽極化初始的短暫時間內(nèi)，其 表面受到均勻氧化，生成極薄而有非常致密的膜。 由于硫酸溶液的作用，膜的最弱點（如晶界，雜質(zhì)密集點，晶格缺陷或結(jié)構(gòu)變形處 ）發(fā)生局部溶解，而出現(xiàn)大量孔隙，即原生氧化中心。 使基體金屬能與進入孔隙的電解液接觸，電流也因此得以繼續(xù)傳導，新生成的氧離 子則用來氧化新的金屬，并以孔底為中心而展開，最后匯合，在舊膜與金屬之間形成 一層新膜，使得局部溶解的舊膜如同得到“修補”似的。隨著氧化時間的延長，膜的 不斷溶解或修補，氧化反應得以向縱深發(fā)展，從而使制品表面生成又薄而致密的內(nèi)層 和厚而多孔的外層所組成的氧化膜。其內(nèi)層（阻擋層、介電層、活性層）厚度至氧化 結(jié)束基本都不變，位置卻

14、不斷向深處推移；而外早一定的氧化時間內(nèi)隨時間而增厚。 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):陽極氧化陽極氧化 鋁陽極氧化膜生成過程示意圖鋁陽極氧化膜生成過程示意圖 AB C 鋁基體 阻擋層 多孔層 A l 2O3. H 2O 鋁陽極氧化膜鋁陽極氧化膜結(jié)構(gòu)放大圖結(jié)構(gòu)放大圖 2、俯視圖（20000倍）1、俯視圖（10000倍） 3、截面圖（10000倍） 4、截面圖（15000倍） 20304050 4 8 2 6 20 22 60 24 a b c d ABC 時間/s 電壓/V 鋁陽極氧化膜生成曲線鋁陽極氧化膜生成曲線 A.膜層生長 B.阻擋層形成 C.膜層穩(wěn)定生成, 直到溶解與生長

15、速率達到平衡 4,4,陽極氧化工藝陽極氧化工藝要素要素 為獲得均勻一致的氧化膜和孔隙均勻一致，保證足夠的循環(huán)量，冷 卻量，保證良好的導電性是舉足輕重的，此外就是氧化工藝的穩(wěn)定性。 要素如下： 1 1，硫酸濃度：，硫酸濃度：控制在180200gl。稍高的硫酸濃度可促進氧化膜 的溶解反應加快，利于孔隙的擴張，也易于后續(xù)的染色； 2 2，鋁鋁離子濃度：離子濃度：控制在515 gl。鋁離子小于5gl，生成的氧化 膜吸附能力降低，鋁離子大于15gl時，氧化膜的均勻性受到影響，容 易出現(xiàn)不規(guī)則的膜層。 3 3，氧化溫度：，氧化溫度：控制在20左右，過低的溫度致使氧化膜的膜孔致密， 染色速度顯著減緩；溫度過

16、高，氧化膜蔬松，容易粉化，不利于后續(xù)染 色的控制，氧化槽的溫差變化應在2以內(nèi)為宜。 4 4，電流密度：，電流密度：控制在120180am2。電流密度過大，在膜厚一定的 情況下，就要相應地縮短鋁制品在槽中的電解時間，這樣，氧化膜在溶 液中的溶解減少，膜孔致密，并且膜層容易粉化。 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):陽極氧化陽極氧化 a.硫酸系 1.無機酸 b.鉻酸系 c.磷酸系 一.酸性電解液 2.有機酸 a.草酸系 b.磺基水楊酸等 3.混合酸 1.氫氧化鈉系 二.堿性電解液 2.磷酸鈉系 3.磷酸二氫鈉系 4.氫氧化銨系 三. 非水電解液 1.溶融電解液 2.硼酸甲酸胺系 陽極氧

17、化工藝分類陽極氧化工藝分類 ( (從電解液方面的分類從電解液方面的分類) ) 二二. .工作原理工作原理 ( (三三): ):染色前處理染色前處理 陽極氧化之后，氧化膜的膜孔中殘留有硫酸溶液，因此，染色之前必 須將鋁制品徹底清洗干凈。避免給染色槽帶人雜質(zhì)離子，尤其是磷酸根離 子、氟離子等，在染色槽之前設立純水清洗，并且要對水質(zhì)進行監(jiān)控是十 分必要的。 另一方面，氧化膜為無機物質(zhì),而染料為有機物質(zhì),兩者之間結(jié)合不易. 所以必須于染色前在工件表面覆蓋一層兼具無/有機化性的物質(zhì), 即“界 面活性劑”,以利氧化膜與染料結(jié)合. 染色前處理原理圖 氧化膜層 表面活性物質(zhì) 1 1 氧化染色原理氧化染色原理

18、鋁陽極氧化膜的化學著色是基于多孔膜層有如紡織纖維一樣的吸附 染料能力而得以進行的。一般陽極氧化膜的孔隙直徑為0.01-0.03m， 而染料在水中分離成單分子，直徑為0.0015-0.0030m，著色時染料被 吸附在孔隙表面上并向孔內(nèi)擴散、堆積，而且與氧化鋁進行離子鍵、氫 鍵結(jié)合而使膜層著色，經(jīng)封孔處理，染料被固定在孔隙內(nèi)。 2 2 染料配方及工藝條件染料配方及工藝條件 參見附件 二二. .工作原理工作原理 ( (四四): ):染色染色 染 料 染 色 原 理 圖 氧 化 膜 層 O N 2 O N 2 O N 2 O N 2 SO H 3 SO H 3 NH 2 O NH 2 1 黑 對稱 O

19、 H NO 2 HO S2 H N 2 COCH3 NO O 2 H 2 SO H 2 706 綠 非對稱 O O O H 804,706染料結(jié)構(gòu)圖 2 2 染色染色過程控制要素過程控制要素 (1)(1)溫度溫度染色過程中，染色速率隨溫度的升高而加快，因此，染一定深度的顏色所 需的時間隨溫度升高而縮短。同時，槽液溫度上升，同步封孔也會加快，因而，針對 不同的色澤要求，可以適當調(diào)整染色溫度，避免染色時間過長或過短。 (2)(2)染料濃度染料濃度根據(jù)吸附定律，在一定工作條件下，染料在陽極氧化膜上的吸附量隨 著染料濃度的提高而增大。在最初配制槽液時，盡可能配制較低濃度的溶液，隨著生 產(chǎn)的進行，染料不

20、斷地消耗，要不斷補充消耗的部分，補充時要少量多次。 (3)(3)時間時間跟電解著色一樣，當其它條件不變時，顏色隨時間的延長逐漸加深，一般 情況，當氧化條件確定，染色液濃度、溫度等確定。我們只有通過調(diào)整染色時間以獲 得要求的顏色深度。 (4)(4)PHPH值值一般要PH值是56，穩(wěn)定的PH值對染色非常重要，對混合染料尤其如此， 不同的PH值，可能會有不同的色調(diào)，為加強PH值的穩(wěn)定性，在配制槽液時加入緩沖溶 液是一種可行的辦法，同時要加強染色前的水洗，避免帶入酸性物質(zhì)。 二二. .工作原理工作原理 ( (四四): ):染色染色 染色之后，要將鋁制品進行水洗，以除去附在鋁制品表面的浮色， 此時要注意

21、水洗槽的水質(zhì)，因為染料分子與氧化膜的結(jié)合是可逆的，當 水中存在較多雜質(zhì)離子時，會促使染料分子與氧化膜分離進入水中，此 時就表現(xiàn)出褪色，這種褪色往往是不均勻的，最終導致同一支料上產(chǎn)生 色差。 二二. .工作原理工作原理 ( (五五): ):染色后水洗染色后水洗 氧化膜孔隙填充過染料后,如不加以處理,放置一段時間后,孔隙中的染料會逐 漸析出或變色,為避免此現(xiàn)象發(fā)生, 染色后必須將氧化膜孔隙加以封閉,即為 封孔(seal). 封孔工藝可以有多種，蒸氣封孔、熱水封孔、中溫封孔，部分染料還可以選 擇冷封孔工藝。封孔后可能會因為褪色而使顏色較封孔前略為變淺， 一般用沸純水及蒸汽進行高溫封孔,其工藝較成熟,

22、但存在能耗大,工作環(huán)境差, 易產(chǎn)生封孔粉等缺點。 自80年代以來,出現(xiàn)了以金屬氟化物為主體的常溫封孔方法,使用時能耗低,封 孔速度快,封孔效果好,硬度高,不易產(chǎn)生封孔粉。 封孔原理圖 氧化膜層 表面活性物質(zhì) 二二. .工作原理工作原理 ( (六六): ):封孔封孔 三三. .標準流程標準流程 ( (一一) )陽極染色陽極染色 鋁制品陽極氧化通用的工藝流程如下鋁制品陽極氧化通用的工藝流程如下： 鋁工件上掛具脫脂水洗堿蝕水洗出光水洗 陽極氧化水洗去離子水洗染色或電解著色水洗 去離子水洗封閉水洗下掛具 對于要求高光亮度的鋁制品對于要求高光亮度的鋁制品，可采用如下的工藝流程可采用如下的工藝流程： 鋁工

23、件機械拋光脫脂水洗中和水洗化學或電化學拋光 水洗陽極氧化水洗去離子水洗染色或電解著色水洗 去離子水洗封閉水洗機械光亮 三三. .標準流程標準流程 ( (一一) )陽極染色陽極染色 脫脂 化學拋光 堿性腐蝕 染色前處理 陽極氧化 剝黑膜 染色封孔干燥 沖沖 壓壓 上掛上掛 包裝包裝 出貨出貨 陽極陽極 清清 洗洗 噴噴 砂砂 拉拉 紋紋 接地接地 導通導通 三三. .標準流程標準流程 ( (二二) )相機外蓋全過程相機外蓋全過程 打打 磨磨 刻刻 印印 染色染色封孔封孔 印印 刷刷 鉆鉆 切切 外觀外觀 檢查檢查 三. 標準流程標準流程 (三三)設備周邊配合 項目 類別 設備名稱功能基本規(guī)格特殊

24、要求 主設備整流器電解氧化25V /2000A精密SCR 主設備冰水機穩(wěn)定槽液溫度50冷凍噸4-18 主設備烘干設備去除表面水份85熱風循環(huán) 環(huán)保設備抽風裝置去除有毒氣體40HP 600m3/mm 負壓式吸氣 靜壓 130mmAq 環(huán)保設備廢水分流裝置酸堿水分流PH7 硫酸 H+ 磷酸 硝酸 環(huán)保設備磷酸處理設備去除磷酸根3噸/時含磷5PPM 附屬設備過瀘機過瀘槽液雜質(zhì)230L/min5 /m棉芯 制工具鈦掛具夾持工件作電解鈦質(zhì)勾夾式導電性強 草酸陽極氧化可采用直流電、交流電或者交直流電迭加。用交流電氧化比直 流電在相同條件下獲得膜層軟、彈性較??；用直流電氧化易出現(xiàn)孔蝕，采用 交流電氧化則可防止，隨著交流成分的增加，膜的抗蝕性提高，但顏色加深， 著色性比硫酸膜差。 草酸是弱酸，溶解能力低，鋁氧化時，必須冷卻制品及電解液。 草酸膜層的厚度及顏色依合金成分而不同，純鋁的膜厚呈淡黃或銀白色，合 金則膜薄色深如黃色、黃銅色。氧化后膜層經(jīng)清洗，若不染色可用3.4310 的4次方Pa壓力的蒸汽封孔30-60分鐘。 草酸陽極氧化的特點：草酸相對于硫酸酸性較弱，它的溶膜反應相對較弱， 得到氧化膜氧化電壓高，膜孔相對較大，氧化膜孔隙率低。因為氧化膜中有 Al（O