鋁陽極氧化工藝基本原理

鋁陽極氧化工藝基本原理第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二鋁的化學(xué)特性

（1）、鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，在干燥空氣中鋁的表面立即形成厚約5nm的致密氧化膜，使鋁不會進一步氧化并能耐水；

（2）、鋁的粉末與空氣混合則極易燃燒；熔融的鋁能與水猛烈反應(yīng)，高溫下能將許多金屬氧化物還原為相應(yīng)的金屬；

（3）、鋁是兩性的，既易溶于強堿，也能溶于稀酸。

（4）、鋁在大氣中具有良好的耐蝕性，但純鋁的強度低，只有通過合金化才能得到可作結(jié)構(gòu)材料使用的各種鋁合金。第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二（1）、耐蝕性；（2）、硬度和耐磨性，鋁基體的硬度為HV100，普通陽極氧化膜的硬度約HV300，硬質(zhì)氧化膜可達HV500。（3）、裝飾性，不盡可保護拋光表面的光澤，也可染色、著色，獲得和保持豐富多彩的外觀。（4）、電絕緣性。（5）、透明性。（6）、功能性鋁陽極氧化膜優(yōu)點第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二

第一位數(shù)：主要添加合金元素(如1050、5052、6063等)。

1：純鋁

2：主要添加合金元素為銅

3：主要添加合金元素為錳或錳與鎂

4：主要添加合金元素為硅

5：主要添加合金元素為鎂

6：主要添加合金元素為硅與鎂

7：主要添加合金元素為鋅與鎂

8：不屬於上列合金系的新合金鋁合金基本常識第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二脫脂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第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二

堿蝕劑堿蝕劑是鋁制品在添加或不添加其他物質(zhì)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(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贓物；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。第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二基本組成一般采用氫氧化鈉，有的另外還添加調(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。第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二化學(xué)拋光兩酸(磷酸、硫酸)\(磷酸、硝酸)三酸(磷酸、硫酸、硝酸)第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二中和(除漬)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、除漬或出光處理。第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二基本組成工藝過程是制品在300-400g/L硝酸溶液中，室溫下浸洗。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(yīng)產(chǎn)物，使下道工序槽液免遭污染第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二陽極化處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。第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二陽極氧化的原理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(yīng)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。第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二陽極氧化的種類按電流形式分為：直流電陽極氧化，交流電陽極氧化，脈沖電流陽極氧化。按電解液分有：硫酸、草酸、鉻酸、混合酸和以磺基有機酸為主溶液的自然著色陽極氧化。按膜層性子分有：普通膜、硬質(zhì)膜（厚膜）、瓷質(zhì)膜、光亮修飾層、半導(dǎo)體作用的阻擋層。第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二陽極氧化膜結(jié)構(gòu)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。第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二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(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(dǎo)，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(yīng)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，位置卻不斷向深處推移；而外層在一定的氧化時間內(nèi)隨時間而增厚。第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二普通氧化常用參數(shù)范圍第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二氧化膜厚度計算陽極氧化生成的氧化膜厚度從理論上可按法拉第第二定律推導(dǎo)的公式進行計算。

σ=Kit

式中σ為陽極氧化膜厚度（μm），i為電流密度（A/dm2），t為氧化時間（min），K為系數(shù)。第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二氧化膜厚度計算為了使K值更切合實際，應(yīng)將電流效率和在這種工藝條件下所生成膜的密度或孔隙度考慮在內(nèi)，即：

K=1.57η/γ

式中η為電流效率（電極上實際析出的物質(zhì)量與又總電量換算出的析出物質(zhì)量之比）。K實值各國取值大小各異，美國有取0.328、0.285-0.355，日本有取0.352、0.364、0.25，中國、俄羅斯取0.25。第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二影響氧化膜生長和質(zhì)量的因素當電解液的溫度從20度上升到30度，膜的溶解速度約增加3倍。硫酸濃度對氧化膜厚度的影響不大，為獲得中等厚度、多孔而易于著色和封閉、抗蝕性較高的膜層，濃度最好為15%-20%；溶液中雜質(zhì)允許的最大含量鋁離子20g/L。隨著陽極氧化時間的延長，氧化膜的厚度增加，到一定厚度后，由于膜厚電阻增加、導(dǎo)電能力下降，膜的生長速度減慢，有的合金即使延長氧化時間，膜的厚度也不會再增加。第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二染色工藝鋁陽極氧化膜的化學(xué)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(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)。第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二不可直接加入染色槽中，需用80~90℃的熱水溶解后再添加到染色槽中。染色槽使用的水質(zhì)最好是純水，防止雜質(zhì)污染。建浴：第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二管理方法：（1）、濃度控制：藥水的濃度直接影響到染色的速度，當濃度過低時，染色速度過慢，造成上色困難；可用混合染料著色，但須注意膜層在染液中可能發(fā)生的選擇性吸附，使顏色不調(diào)和或改變色澤，這樣處理的膜層顏色不如用單一染料的耐曬。拼色染應(yīng)將兩種染料分別溶解再置于染浴。（2）、pH控制：pH值過高，染色困難，甚至無法染色；pH值過低，鋁材將會溶解，使染色活性度下降，發(fā)生染色霧斑。

pH值調(diào)節(jié)的方法

pH提高的方法：醋酸鈉或氨水

pH降低的方法：稀醋酸溶液第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二染色注意事項（1）、染色槽內(nèi)金屬鹽過多，如Fe2+,Fe3+,Cr3+,Cu2+,Si4+等,會導(dǎo)致染色性能下降；（2）、雜質(zhì)陰離子過多：如PO43-，Cl-，SO42-過多，會導(dǎo)致染色異常；（3）、溶液中帶入不純物，染色槽的長期使用，Al3+的溶入、SO42-的帶入，當累計到一定程度時，會導(dǎo)致染色的不均勻性及活性下降，甚至阻礙染色。（4）、著色不理想的制品可在50%硝酸或5ml/L硫酸溶液中褪色。第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期二設(shè)備（1）、槽體：不銹鋼（SUS30