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一文讀懂陽極氧化處理工藝

2021-09-27 17:30:24 作者：智加設(shè)計來源：智加設(shè)計分享至：

現(xiàn)在都比較流行金屬工藝，市面上很多機(jī)器多少都會有大塊金屬，而金屬的表面處理工藝之一陽極氧化是非常常用的，可以用來防止制品的腐蝕或達(dá)到防護(hù)裝飾的雙重作用。

陽極氧化

陽極氧化法被稱作鋁合金表面處理的“萬能”技術(shù)。鋁和鋁合金的陽極氧化處理是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。鋁及其合金的陽極氧化膜的厚度可達(dá)幾十至幾百微米，不但具有良好的力學(xué)性能和耐蝕性能，耐磨性，耐候性，而且還具有較強(qiáng)的吸附性能。鋁制品經(jīng)陽極氧化后可進(jìn)行電解著色，隨著色時間的增長，顏色由淺至深，可生產(chǎn)多種顏色，采用各種著色方法后可以得到美觀的裝飾外表。

工藝性質(zhì)

1.多孔性——氧化膜具有多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，膜層的空隙率決定于電解液的類型和氧化的工藝條件。氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)，可使膜層對各種有機(jī)物、樹脂、地蠟、無機(jī)物、染料及油漆等表現(xiàn)出良好的吸附能力，可作為涂鍍層的底層，也可將氧化膜染成各種不同的顏色，提高金屬的裝飾效果。

2.耐磨性——鋁氧化膜具有很高的硬度，可以提高金屬表面的耐磨性。當(dāng)膜層吸附潤滑劑后，能進(jìn)一步提高其耐磨性。

3.耐蝕性——鋁氧化膜在大氣中很穩(wěn)定，因此具有較好的耐蝕性，其耐蝕能力與膜層厚度、組成、空隙率、基體材料的成分以及結(jié)構(gòu)的完整性有關(guān)。為提高膜的耐蝕能力，陽極氧化后的膜層通常再進(jìn)行封閉或噴漆處理。

4.電絕緣性——陽極氧化膜具有很高的絕緣電阻和擊穿電壓，可以用作電解電容器的電介質(zhì)層或電器制品的絕緣層。

5.絕熱性——鋁氧化膜是一種良好的絕熱層，其穩(wěn)定性可達(dá)1500℃，因此在瞬間高溫下工作的零件，由于氧化膜的存在，可防止鋁的熔化。

6.結(jié)合力——陽極氧化膜與基體金屬的結(jié)合力很強(qiáng)，很難用機(jī)械方法將它們分離，即使膜層隨基體彎曲直至破裂，膜層與基體金屬仍保持良好的結(jié)合。

形成機(jī)理

鋁及其合金的陽極氧化所用的電解液一般為中等溶解能力的酸性溶液，鉛作為陰極，僅起導(dǎo)電作用。鋁及其合金進(jìn)行陽極氧化時

在陽極發(fā)生下列反應(yīng)：

在陰極發(fā)生下列反應(yīng)：

同時酸對鋁和生成的氧化膜進(jìn)行化學(xué)溶解，其反應(yīng)如下：

氧化膜的生成與溶解同時進(jìn)行，氧化初期，膜的生成速度大于溶解速度，膜的厚度不斷增加；隨著厚度的增加，其電阻也增大，結(jié)果使膜的生長速度減慢，一直到與膜溶解速度相等時，膜的厚度才為一定值。此外，還可以通過陽極氧化的電壓一時間曲線來說明氧化膜的生成規(guī)律

整個陽極氧化電壓—時間曲線大致分為三段：

第一段A：無孔層形成。曲線 ab 段，通電剛開始的幾秒到幾十秒時間內(nèi)，電壓由零急劇增至最大值，該值稱為臨界電壓。表明此時在陽極表面形成了連續(xù)的、無孔的薄膜層。此膜的出現(xiàn)阻礙了膜層的繼續(xù)加厚。無孔層的厚度與形成電壓成正比，與氧化膜在電解液中的溶解速度成反比。

第二段B：多孔層形成。曲線bc段，電壓達(dá)到最大值以后，開始有所下降，其下降幅度為最大值的10%~15%。表明無孔膜開始被電解液溶解，出現(xiàn)多孔層。

第三段C：多孔層增厚。曲線cd段，經(jīng)過約20s的氧化，電壓開始進(jìn)入平穩(wěn)而緩慢的上升階段。表明無孔層在不斷地被溶解形成多孔層的同時，新的無孔層又在生長，也就是說多孔層在不斷增厚，在每一個膜胞的底部進(jìn)行著膜的生成和溶解的過程。當(dāng)膜的生成速度和溶解速度達(dá)到動態(tài)平衡時，即使氧化時間再延長，氧化膜的厚度也不會再增加，此時應(yīng)停止陽極氧化過程。

工藝詳解

鋁及其合金陽極氧化的方法很多，這里主要介紹常用的硫酸陽極氧化、鉻酸陽極氧化和草酸陽極氧化。鋁及其合金的其他陽極氧化法還有硬質(zhì)陽極氧化、瓷質(zhì)陽極氧化等。

1.硫酸陽極氧化

在稀硫酸電解液中通以直流或交流電對鋁及其合金進(jìn)行陽極氧化。可獲得5μm~20μm厚，吸附性較好的無色透明氧化膜。該法工藝簡單，溶液穩(wěn)定，操作方便。下表為硫酸陽極氧化的工藝規(guī)范。

1）硫酸的質(zhì)量濃度

硫酸的質(zhì)量濃度高，膜的化學(xué)溶解速度加快，所生成的膜薄且軟，空隙多，吸附力強(qiáng)，染色性能好；降低硫酸的質(zhì)量濃度，則氧化膜生長速度較快，而空隙率較低，硬度較高，耐磨性和反光性良好。

2）溫度的影響

電解液的溫度對氧化膜質(zhì)量影響很大，當(dāng)溫度在10℃~20℃之間時，所生成的氧化膜多孔，吸附性能好，并富有彈性，適宜染色，但膜的硬度較低，耐磨性較差。如果溫度高于26℃，則氧化膜變疏松且硬度低。溫度低于10℃，氧化膜的厚度增大，硬度高，耐磨性好，但空隙率較低。因此，生產(chǎn)時必須嚴(yán)格控制電解液的溫度。

3）電流密度的影響

提高電流密度則膜層生長速度加快，氧化時間可以縮短，膜層化學(xué)溶解量減少，膜較硬，耐磨性好。但電流密度過高，則會因焦耳熱的影響，使膜層溶解作用增加，導(dǎo)致膜的生長速度反而下降。電流密度過低，氧化時間很長，使膜層疏松，硬度降低。

4）時間的影響

陽極氧化時間可根據(jù)電解液的質(zhì)量濃度、溫度、電流密度和所需要的膜厚來確定。在相同條件下，隨著時間延長，氧化膜的厚度增加，空隙增多。但達(dá)到一定厚度后，生長速度會減慢下來，到最后不再增加。

5）攪拌的影響

攪拌能促使溶液對流，使溫度均勻，不會造成因金屬局部升溫而導(dǎo)致氧化膜的質(zhì)量下降。攪拌的設(shè)備有空壓機(jī)和水泵。

6）合金成分的影響

鋁合金成分對膜的質(zhì)量、厚度和顏色等有著十分重要的影響，一般情況下鋁合金中的其他元素使膜的質(zhì)量下降。對Al-Mg系合金，當(dāng)鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%且合金結(jié)構(gòu)又呈非均勻體時，必須采用適當(dāng)?shù)臒崽幚硎购辖鹁鶆蚧駝t會影響氧化膜的透明度；對Al-Mg-Si系合金，隨硅含量的增加，膜的顏色由無色透明經(jīng)灰色、紫色，最后變?yōu)楹谏茈y獲得均勻顏色的膜層；對 Al-Cu-Mg-Mn合金，銅使膜層硬度下降，空隙率增加，膜層疏松，質(zhì)量下降。在同樣的氧化條件下，在純鋁上獲得的氧化膜最厚，硬度最高，耐蝕性最好。

2.鉻酸陽極氧化

經(jīng)鉻酸陽極氧化得到的氧化膜厚度為2μm~5μm空隙率低，膜層質(zhì)軟，耐磨性較差。由于鋁的溶解少，形成氧化膜后，零件仍能保持原來的精度和表面粗糙度，故該工藝適用于精密零件。下表是鉻酸陽極氧化工藝規(guī)范。

1）鉻酐的質(zhì)量濃度

鉻酐含量過高或過低，氧化能力都降低，但稍微偏高是允許的。鉻酐含量過低的電解液不穩(wěn)定。會造成膜層質(zhì)量下降。

2）雜質(zhì)

在鉻酸陽極氧化電解液中的氯離子、硫酸根離子和三價鉻離子都是有害的雜質(zhì)。氯離子會引起零件的蝕刻；硫酸根離子數(shù)量的增加會使氧化膜從透明變?yōu)椴煌该鳎⒖s短鉻酸液的使用壽命；三價鉻離子過多會使氧化膜變得暗而無光。

3）電壓

在陽極氧化開始的15min內(nèi)，使電壓從0V逐漸升至40V，每次上升不超過5V，以保持電流在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)槽電壓達(dá)40V后，一直保持到氧化結(jié)束。

3.草酸陽極氧化

草酸是一種弱酸，對鋁及鋁合金的腐蝕作用較小，因此草酸陽極氧化得到的氧化膜硬度較高，膜較厚，可達(dá)60μm，耐蝕性好，具有良好的電絕緣性能。隨鋁中合金元素及含量的不同，膜層可得各種鮮艷的顏色，下表是草酸陽極氧化工藝規(guī)范。

草酸陽極氧化電解液對氯離子非常敏感，其質(zhì)量濃度超過0.04g/L , 膜層就會出現(xiàn)腐蝕斑點。三價鋁離子的質(zhì)量濃度也不允許超過 3g/L。

著色和封閉

鋁及其合金經(jīng)陽極氧化處理后，在其表面生成了一層多孔氧化膜，經(jīng)過著色和封閉處理后，可以獲得各種不同的顏色，并能提高膜層的耐蝕性、耐磨性。

1.氧化膜的著色

1）無機(jī)顏料著色

無機(jī)顏料著色機(jī)理主要是物理吸附作用，即無機(jī)顏料分子吸附于膜層微孔的表面，進(jìn)行填充。該法著色色調(diào)不鮮艷，與基體結(jié)合力差，但耐曬較好。下表是無機(jī)顏料著色的工藝規(guī)范。從表可見，無機(jī)顏料著色所用的染料分為兩種，經(jīng)過陽極氧化的金屬要在兩種溶液中交替浸漬，直至兩種鹽在氧化膜中的反應(yīng)生成物數(shù)量（顏料）滿足所需的色調(diào)為止。

2）有機(jī)染料著色

有機(jī)染料著色機(jī)理比較復(fù)雜，一般認(rèn)為有物理吸附和化學(xué)反應(yīng)。有機(jī)染料分子與氧化鋁化學(xué)結(jié)合的方式有：氧化鋁與染料分子上的磺基形成共價鍵：氧化鋁與染料分子上的酚基形成氫鍵；氧化鋁與染料分子形成絡(luò)合物。有機(jī)染料著色色澤鮮艷，顏色范圍廣，但耐曬性差。下表是有機(jī)染料著色的工藝規(guī)范。配制染色液的水最好是蒸餾水或去離子水而不用自來水，因為自來水中的鈣、鎂等離子會與染料分子絡(luò)合形成絡(luò)合物，使染色液報廢。

3）電解著色

電解著色是把經(jīng)陽極氧化的鋁及其合金放入含金屬鹽的電解液中進(jìn)行電解，通過電化學(xué)反應(yīng)，使進(jìn)入氧化膜微孔中的重金屬離子還原為金屬原子，沉積于孔底無孔層上而著色。由電解著色工藝得到的彩色氧化膜具有良好的耐磨性、耐曬性、耐熱性、耐蝕性和色澤穩(wěn)定持久等優(yōu)點，目前在建筑裝飾用鋁型材上得到了廣泛的應(yīng)用。下表是電解著色的工藝規(guī)范。電解著色所用電壓越高，時間越長，顏色越深。

2.封閉處理

鋁及其合金經(jīng)陽極氧化后，無論是否著色都需及時進(jìn)行封閉處理，其目的是把染料固定在微孔中，防止?jié)B出，同時提高膜的耐磨性、耐曬性、耐蝕性和絕緣性。封閉的方法有熱水封閉法、水蒸汽封閉法、重鉻酸鹽封閉法、水解封閉法和填充封閉法。

1）熱水封閉法

熱水封閉法的原理是利用無定形Al?O?的水化作用

式中n為1或3，Al?O?水化為一水合氧化鋁（Al?O?·H?O）；生成三水合氧化鋁（Al?O?·3H?O）時，其體積增大幾乎增大100%。由于氧化膜表面及孔壁的Al?O?水化的結(jié)果，體積增大而使膜孔封閉。熱水封閉工藝為熱水溫度90℃~100℃，pH 值 6~7.5，時間15min~30min。封閉用水必須是蒸餾水或去離子水，而不能用自來水，否則會降低氧化膜的透明度和色澤。水蒸汽封閉法的原理與熱水封閉法相同，但效果要好得多，只是成本較高。

2）重鉻酸鹽封閉法

此法是在具有強(qiáng)氧化性的重鉻酸鉀溶液中，并在較高的溫度下進(jìn)行的。當(dāng)經(jīng)過陽極氧化的鋁件進(jìn)入溶液時，氧化膜和孔壁的氧化鋁與水溶液中的重鉻酸鉀發(fā)生下列化學(xué)反應(yīng)：