陽極氧化的原理及相關知識

1、陽極氧化的原理及相關知識鋁/鋁合金陽極氧化的原理內容：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,使其表面形成氧化營薄膜的過程,稱為鋁及鋁合金的陽極氧化處理。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，將發(fā)生以下的反應：在陰極上,按下列反應放出H2:2H+2e-H2在陽極上,4OH-4e-2H2O+O2,析出的氧不僅是分子態(tài)的氧(O2),還包括原子氧(O),以及離子氧(O-2),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12O3膜：4A1+3O2=2A12O3+3351J應指出，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。陽極氧化的種類陽

2、極氧化早就在工業(yè)上得到廣泛應用。冠以不同名稱的方法繁多，歸納起來有以下幾種分類方法：按電流型式分有：直流電陽極氧化；交流電陽極氧化；以及可縮短達到要求厚度的生產(chǎn)時間，膜層既厚又土勻致密，且抗蝕性顯著提高的脈沖電流陽極氧化。按電解液分有：硫酸、草酸、銘酸、混合酸和以磺基有機酸為主溶液的自然著色陽極氧化。按膜層性質分有：普通膜、硬質膜(厚膜)、瓷質膜、光亮修飾層、半導體作用的阻擋層等陽極氧化。直流電硫酸陽極氧化法的應用最為普遍，這是因為它具有適用于鋁及大部分鋁合金的陽極氧化處理；膜層較厚、硬而耐磨、封孔后可獲得更好的抗蝕性；膜層無色透明、吸附能力強極易黃魚；處理電壓較低，耗電少；處理過程不必改變電

3、壓周期，有利于連續(xù)生產(chǎn)和實踐操作自動化；硫酸對人身的危害較銘酸小，貨源廣，價格低等優(yōu)點。近十年來，我國的建筑業(yè)逐步使用鋁門窗及其它裝飾鋁材,它們的表面處理生產(chǎn)線都是采用這種方法。鋁及鋁合金陽極氧化法綜述近十年來，我國的鋁氧化著色工藝技術發(fā)展較快，很多工廠已采用了新的工藝技術，并且在實際生產(chǎn)中積累了豐富的經(jīng)驗。已經(jīng)成熟和正在發(fā)展的鋁及其合金陽極氧化工藝方法很多，可以根據(jù)實際生產(chǎn)需要，從中選取合適的工藝。在選取氧化工藝之前，應對鋁或鋁合金材質情況有所了解，因為，材料質量的優(yōu)劣、所含成份的不同，是會直接影響到鋁制品陽極氧化后的質量的。關于這一點，洪九德、范濟同志已有專門論述(參看電鍍與涂飾1982年

4、第2期P27)。比如，鋁材表面如有氣泡、劃痕、起皮、粗糙等缺陷，經(jīng)陽極氧化后，所有疵病依然會顯露出來。而合金成份，對陽極氧化后的表面外觀，也產(chǎn)生直接的影響。比如，含12%鎰的鋁合金，氧化后呈棕藍色，隨鋁材中含鎰量的增加，氧化后的表面色澤從棕藍色到深棕色轉化。含硅0.61.5%的鋁合金，氧化后呈灰色，含硅36%時，呈白灰色。含鋅的呈乳濁色，含銘的呈金黃至灰色的不均勻色調，含銀的呈淡黃色。一般而言，只有含鎂和含鈦量大于5%的鋁含金，經(jīng)氧化后可以得到無色透明且光亮、光潔的外觀。在選擇好鋁及鋁合金材料后，自然就要考慮到選取合適的陽極氧化工藝。目前，我國廣泛應用的硫酸氧化法、草酸氧化法及銘酸氧化法，均在

5、手冊、書刊上有過詳細的介紹，不必贅述。本文謹就目前在國內正在發(fā)展中的一些新工藝，以及國外的一些方法，作扼要的介紹。一、國內已發(fā)展的新工藝(一)草酸-甲酸混合液交流快速氧化采用草酸-甲酸混合液，是因為考慮到甲酸是一種強氧化劑，在這樣的槽液中，甲酸起到對氧化膜內層（阻擋層和障壁層）加速溶解，從而使成為多孔層（即氧化膜外層）的作用。這種槽液的導電率可以得到提高（即可提高電流密度），使氧化膜能快速生成。與純草酸氧化法相比，這種溶液能使生產(chǎn)率提高37.5%,減少電耗量（草酸氧化法耗電量為3.32度/平方米，此法為2度/平方米），節(jié)約電力40%。工藝配方為：草酸45%、甲酸0.55%,三相交流44

6、7;2伏，電流密度22.5A/dm2,溫度30±2CO（二）混合酸氧化此法于1976年正式納入日本國家標準，并為日本北星日輕家庭用品株式會社所采用。其特點是成膜快，膜的硬度、耐磨、耐腐蝕性能都比普通的硫酸氧化法高，膜層呈銀白色，適用于印花、著色產(chǎn)品。我國鋁制品行業(yè)赴日考察后，于1979年開始推薦使用。其推薦工藝配方為：H2SO41020%,COOHCOOH2H2O12%,電壓1020V,電流密度13A/dm2,溫度1530C,時間30分鐘。（三）瓷質氧化瓷質氧化主要以銘酸、硼酸、草酸鈦鉀為電解質，用高電壓和較高溫度作電解處理。其膜層外觀像瓷器上的釉，有高度的抗腐蝕性能，耐磨性能良好，

7、膜層可用有機或無機的染料染色，使外觀有特殊的光澤和色澤。目前多應用于鋁炊具、打火機、金筆等產(chǎn)品上，很受群眾喜愛。（四）國防色氧化國防色氧化主要應用在軍用鋁制品的裝飾上，因而要求有特殊的防護作用。氧化膜呈軍綠色、無光澤、耐磨耐用，防護性能良好。工藝是：首先進行草酸氧化，生成金黃色膜層后，再用高鎰酸鉀20g/l、H2SO41g/l的溶液進行陽極氧化處理而成。沈陽鋁制品廠曾應用此工藝生產(chǎn)軍用水壺及炊具用品。（五）多色氧化將已染色而未封閉的陽極氧化層，用銘酸或草酸潤濕，使CrO3鋪展，已染色的制品的部份表面在被CrO3潤濕后褪色，按需要在任意部份用水將草酸或銘酸洗去，一般可以停止與圖象反應。然后再染第

8、二次色或反復進行CrO3揩拭、沖水、染色等程序，就可以根據(jù)需要出現(xiàn)花朵、云彩等圖案。目前多應用在金杯、水杯、茶盒、打火機等產(chǎn)品。（六）大理石花紋染色工藝把氧化后的制品先染第一道底色后，經(jīng)干燥，再浸入表面浮有油脂的水中，再提起或浸入時，油脂和水分別自然流掛，使膜層呈不規(guī)則的條紋狀的油脂所沾污。當再染第二道色時，氧化膜受油脂沾污處就染不上色，沒有油脂的部位則染上第二種色調，形成如大理石花紋狀的不規(guī)則圖案。此法可見諸廣東國營陽江小刀廠周守禹同志的文章（電鍍與涂飾1982年第2期）。（七）化學蝕刻氧化鋁制品經(jīng)機械拋光及脫脂后，涂復掩蔽劑或感光，干燥后進行化學刻蝕（氟化物或鐵鹽類的浸蝕劑），形成凹凸圖案

9、。再經(jīng)電化學拋光及陽極氧化，呈現(xiàn)出主體感很強的表面圖案，能與不銹鋼的表面外觀相媲美?，F(xiàn)多應用于金筆、茶盒及屏風等。（八）常溫快速陽極氧化通常H2SO4氧化均需用降溫設備，因而耗費大量電力。加入“-羥基丙酸、丙三醇后，能抑制氧化膜的溶解，從而可在常溫下進行氧化。與普通的硫酸氧化法相比，膜層厚度可提高2倍。推薦的工藝配方為：H2SO4150160g/lCH3CH（OH）COOH18ml/lCH2OHCHOHCH2OH12ml/l電流密度0.812A/dm2電壓1218伏溫度1822c（九）化學氧化法（又稱導電氧化膜）膜層的抗蝕性能接近于硫酸陽極氧化膜。導電氧化膜層接觸電阻較小而能導電、而H2SO4

10、陽極氧化膜因接觸電阻極大而不能導電。導電氧化膜的耐腐蝕性能比鋁上鍍銅、鍍銀或鍍錫強得多。缺點是膜層上不能錫焊，只可作點焊。推薦工藝配方為：CrO34g/l,K4Fe（CN）63H2O0.5g/l,NaF1g/l,溫度2040C,時間2060秒。二、國外新工藝介紹近幾年來，國外在鋁材表面處理方面發(fā)展得很快，原來的一些費人力、費電力和資源的老工藝已得到改革，一些新工藝、新技術已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)。（一）高速陽極氧化法高速陽極氧化工藝主要是通過改變電解溶液的組成，降低電解液的阻抗，從而使能采用較高的電流密度進行高速陽極氧化。原來舊工藝的溶液，采用1A/ditf的電流密度的成膜速度為0.20.25M分

11、，采用這種新工藝溶液后，即使仍用1A/ditf的電流密度，成膜速度亦可增至0.40.5科分，大大縮短了處理時間，提高了生產(chǎn)效率。（二）富田式（高速氧化）法富田式法比舊工藝處理時間要短得多，生產(chǎn)效率可提高33%以上。本法不但適用于普通陽極氧化膜，也適用于硬膜氧化。如要產(chǎn)生硬質膜，則用降低溶液溫度的方法來實現(xiàn)，其成膜速度大體與上表所列相同。膜層硬度與溶液溫度的關系如下：10C硬度500H,20C400H,30C30H（三）紅寶石膜鋁材表面生成紅寶石膜的工藝是一種新穎的工藝，其膜層色澤可以與人造紅寶石的色澤媲美，因而裝飾性效果極佳，抗腐蝕性能和耐磨性能也良好。還可通過溶液中所含金屬氧化物之種類不同來

12、制備出色彩各異的外觀。該工藝方法是：首先用15%的硫酸進行陽極氧化，采用的電流密度為1A/dm2,時間80分鐘。取出后可根據(jù)顏色深淺程度要求，把工件浸入不同濃度的（NH4）2CrO4溶液中，溫度40C,時間為30分鐘，主要是讓金屬離子進入多孔性的陽極氧化膜孔源中去。然后再放入硫酸氫鈉（1克分子量）、硫酸氫鏤（1.5克分子量），溫度170C,電流密度1A/dm2,經(jīng)過上述處理后，可獲得紫紅色并閃爍著螢光的紅寶石膜。如果浸的是Fe2（CrO4）3、Na2CrO4,則生成的膜呈藍色帶深紫色螢光。（四）淺田法電解著色淺田法電解著色是在陽極氧化之后，通過電流電解，使金屬陽離子（饃鹽、銅鹽、鉆鹽等）穿入氧化膜的針孔底部，從而著出顏色。這一工藝近年來發(fā)展得較快，主要是它能獲得青銅色系和黑色，受建筑行業(yè)的歡迎。所著色澤有很穩(wěn)定的耐光性，也能耐惡劣氣候條件。本工藝比自然著色法能節(jié)省電能。日本的建筑用鋁型材幾乎都已采用此法著色。我