鋁陽極氧化工藝基本原理

關(guān)于鋁陽極氧化工藝基本原理鋁的物理特性

（1）、鋁合金的突出特點(diǎn)是密度小、強(qiáng)度高。鋁的密度為2.7g/cm3。

（2）、塑性高：鋁及鋁合金延展性好，可以通過擠壓、軋制成各種型狀的材料；

（3）、導(dǎo)電好。僅次于金、銀、銅。

（4）、耐腐蝕。易生成氧化膜后具有很好的耐腐蝕性，一般在空氣中不反應(yīng)。

（5）、易表面處理。如陽極氧化、電鍍、電泳、噴涂等，提高了鋁的裝飾性和保護(hù)效果。第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天鋁的化學(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(huì)進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天（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(dá)HV500。（3）、裝飾性，不盡可保護(hù)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(diǎn)第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

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(shí)第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天脫脂有機(jī)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6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天

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(jìn)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(bǔ)充處理，以便進(jìn)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7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天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(jià)螯合劑（多磷酸鹽）、去污劑。第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天化學(xué)拋光兩酸(磷酸、硫酸)\(磷酸、硝酸)三酸(磷酸、硫酸、硝酸)第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中和(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(jìn)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10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天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(jìn)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11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天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12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天陽極氧化的原理鋁陽極氧化的原理實(shí)質(zhì)上就是水電解的原理。當(dāng)電流通過時(shí)，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13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天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(jī)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14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天陽極氧化膜結(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(zhǎng)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(gè)蜂窩六棱體，稱為晶胞，整個(gè)膜層是又無數(shù)個(gè)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15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天氧化膜成長(zhǎng)機(jī)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(shí)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(diǎn)（如晶界，雜質(zhì)密集點(diǎn)，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(jìn)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(bǔ)”似的。隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，膜的不斷溶解或修補(bǔ)，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(shí)間內(nèi)隨時(shí)間而增厚。第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天普通氧化常用參數(shù)范圍第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天氧化膜厚度計(jì)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(jìn)行計(jì)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(shí)間（min），K為系數(shù)。第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天氧化膜厚度計(jì)算為了使K值更切合實(shí)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(shí)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(shí)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19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天影響氧化膜生長(zhǎng)和質(zhì)量的因素當(dāng)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(duì)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(zhǎng)速度減慢，有的合金即使延長(zhǎng)氧化時(shí)間，膜的厚度也不會(huì)再增加。第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天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(jìn)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(shí)染料被吸附在孔隙表面上并向孔內(nèi)擴(kuò)散、堆積，而且與氧化鋁進(jìn)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21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天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?。旱?2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天管理方法：（1）、濃度控制：藥水的濃度直接影響到染色的速度，當(dāng)濃度過低時(shí)，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(huì)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23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天染色注意事項(xiàng)（1）、染色槽內(nèi)金屬鹽過多，如Fe2+,Fe3+,Cr3+,Cu2+,Si4+等,會(huì)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(huì)導(dǎo)致染色異常；（3）、溶液中帶入不純物，染色槽的長(zhǎng)期使用，Al3+的溶入、SO42-的帶入，當(dāng)累計(jì)到一定程度時(shí)，會(huì)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24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天設(shè)備（1）、槽體：不銹鋼（SUS304），PP槽等；避免使用鐵、銅、鉛等材質(zhì)的槽體；（2）、加熱管：不銹鋼（SUS304），石英加熱管；（3）、攪拌：空氣攪拌、機(jī)械攪拌等，良好的攪拌，增加染色的速度和使產(chǎn)品染色的均勻性；（4）、過濾：過濾掉混入的各種渾濁物，延長(zhǎng)染色槽的壽命。第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天封孔處理（一）水合封孔（二）金屬鹽溶液封孔

第26頁,共30頁，2024年2月25日，星期天金屬鹽溶液封孔

在金屬鹽溶液中封孔，發(fā)生氧化膜的水化反應(yīng)，又存在著鹽類水解生成氫氧化物或是金屬離子與染料分子反應(yīng)生成新的金屬絡(luò)合物在膜孔隙中沉淀析出的過程，它們共同作用使孔隙封閉。這種處理方法也稱為沉淀封孔。某些鎳鹽溶液使用較為經(jīng)常，它的封孔效果好