金屬陽極研修資料-Xue

鋁陽極處理技術作成者:SIPLPQA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。目前產品最為常用的方法為硫酸陽極氧化處理方法.一.鋁合金陽極處理技術介紹一.鋁的一般特性1.化性活潑,在空氣中易形成氧化鋁膜.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.物理性質1.硬度=2.6—2.9mohs2.比重=2.702g/cm23.電阻=2.62*10-6ohm/cm三.化學性質1.ΔE=-6.5V2.4Al(s)+3O2(g)

―→2Al2O33.Al(s)+4OH-―→Al(OH)44.Al+6HNO3―→Al3++3NO2+3H2O+3NO3-一.鋁合金陽極處理技術介紹一.鋁合金陽極處理技術介紹四,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、人工搬運手印（主要成分是脂肪酸和含氮的化合物）、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：（一）脫脂（二）堿蝕劑（三）中和和水清洗二.工作原理(一):表面預處理一，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。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.工作原理(一):表面預處理二，堿蝕

堿蝕是鋁制品在添加或不添加其他物質的氫氧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量的膜層。此外，通過改變溶液的組成、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，另外還添加調節(jié)劑（NaF、硝酸鈉），結垢抑制劑（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-

―→2Al3++含Al+其它后進行:Al+NaOH―→NaAlO2+H2+其它2,調節(jié)工件表面的光亮度二.工作原理(一):表面預處理三，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，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物，使下道工序槽液免遭污染，確保處理效率和質量。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盡棄。經中和、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.工作原理(一):表面預處理1、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.陰極半反應

2H++2e-

―→H2(氫氣)

2.陽極半反應

Al

―→Al3++3e-(α)

2H2O

―→

O2+4H+4e-

(β)

3O2+4Al

―→

2Al2O3(γ)……Al2O3膜生成Al2O3+6H+

―→2Al3++3H2O(δ)……Al2O3膜溶解(γ),(δ)是互相競爭的反應,但當(γ),(δ)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.工作原理(二):陽極氧化2、陽極氧化膜結構、性質

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的致密的內層上成長起來的，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成一個蜂窩六棱體，稱為晶胞，整個膜層是又無數個這樣的晶胞組成。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0.03-0.05μm，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.工作原理(二):陽極氧化3、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，在陽極化初始的短暫時間內，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，雜質密集點，晶格缺陷或結構變形處）發(fā)生局部溶解，而出現大量孔隙，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層和厚而多孔的外層所組成的氧化膜。其內層（阻擋層、介電層、活性層）厚度至氧化結束基本都不變，位置卻不斷向深處推移；而外早一定的氧化時間內隨時間而增厚。

二.工作原理(二):陽極氧化鋁陽極氧化膜生成過程示意圖ABC鋁基體阻擋層多孔層Al2O3.H2O鋁陽極氧化膜結構放大圖2、俯視圖（20000倍）1、俯視圖（10000倍）3、截面圖（10000倍）4、截面圖（15000倍）20304050482620226024abcdABC時間/s

電壓/V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,直到溶解與生長速率達到平衡4,陽極氧化工藝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，硫酸濃度：控制在180—200g／l。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，鋁離子濃度：控制在5—15

g／l。鋁離子小于5g／l，生成的氧化膜吸附能力降低，鋁離子大于15g／l時，氧化膜的均勻性受到影響，容易出現不規(guī)則的膜層。

3，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℃以內為宜。

4，電流密度：控制在120—180a／m2。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.工作原理(二):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化工藝分類(從電解液方面的分類)二.工作原理(三):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，并且要對水質進行監(jiān)控是十分必要的。

另一方面，氧化膜為無機物質,而染料為有機物質,兩者之間結合不易.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,即“界面活性劑”,以利氧化膜與染料結合.1氧化染色原理

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0.01-0.03μm，而染料在水中分離成單分子，直徑為0.0015-0.0030μm，著色時染料被吸附在孔隙表面上并向孔內擴散、堆積，而且與氧化鋁進行離子鍵、氫鍵結合而使膜層著色，經封孔處理，染料被固定在孔隙內。

2染料配方及工藝條件參見附件二.工作原理(四):染色804,706染料結構圖2

染色過程控制要素

(1)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，可以適當調整染色溫度，避免染色時間過長或過短。(2)染料濃度根據吸附定律，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，隨著生產的進行，染料不斷地消耗，要不斷補充消耗的部分，補充時要少量多次。(3)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。我們只有通過調整染色時間以獲得要求的顏色深度。(4)PH值一般要PH值是5～6，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，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。二.工作原理(四):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，此時要注意水洗槽的水質，因為染料分子與氧化膜的結合是可逆的，當水中存在較多雜質離子時，會促使染料分子與氧化膜分離進入水中，此時就表現出褪色，這種褪色往往是不均勻的，最終導致同一支料上產生色差。二.工作原理(五):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,但存在能耗大,工作環(huán)境差,易產生封孔粉等缺點。自80年代以來,出現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,不易產生封孔粉。二.工作原理(六):封孔三.標準流程(一)陽極染色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，可采用如下的工藝流程：

鋁工件→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.標準流程(一)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壓上掛包裝出貨陽極清洗噴砂拉紋接地導通三.標準流程(二)相機外蓋全過程打磨刻印染色封孔印刷鉆切外觀檢查三.標準流程(三)設備周邊配合項目類別設備名稱功能基本規(guī)格特殊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40HP600m3/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230L/min5μ/m棉芯制工具鈦掛具夾持工件作電解鈦質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、彈性較小；用直流電氧化易出現孔蝕，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。氧化后膜層經清洗，若不染色可用3.43×10的4次方Pa壓力的蒸汽封孔30-60分鐘。