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铝表面阳极氧化处理工艺【大解析】
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  铝表面阳极氧化处理工艺 内容来源网络,由深圳机械展收集整理! 更多相关表面处理工艺展示内容,就在深圳机械展! 以铝或铝合金制品为阳极,置于电解质溶液中进行通电处理, 利用电解作用使 其表面形成氧化铝薄膜的过程, 称为铝及铝合金的阳极氧化处理。经过阳极氧化 处理,铝表面能生成几个微米———几百个微米的氧化膜。比起铝合金的天然 氧化膜,其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高。 一、表面预处理 无论采用何种方法加工的铝材及制品,表面上都会不同程度地存在着污垢和缺 陷,如灰尘、金属氧化物(天然的或高温下形成的氧 化铝薄膜) 、残留油污、沥 青标志、人工搬运手印(主要成分是脂肪酸和含氮的化合物) 、焊接熔剂以及腐 蚀盐类、金属毛刺、轻微的划擦伤等。因此在氧化处理之 前,用化学和物理的 方法对制品表面进行必要的清洗,使其裸露纯净的金属基体,以利氧化着色顺利 进行,从而获得与基体结合牢固、色泽和厚度都满足要求且具有 最佳耐蚀、耐 磨、耐侯等良好性能的人工膜。 (一)脱脂 铝及铝合金表面脱脂有有机溶剂脱脂、表面活性剂脱脂、碱性溶液脱脂、酸性溶 液脱脂、电解脱脂、乳化脱脂。几种脱脂方法及主要工艺列于表-1。在这些方法 中,以碱性溶液特别是热氢氧化钠溶液的脱脂最为有效。 (二)碱蚀剂 碱蚀剂是铝制品在添加或不添加其他物质的氢氧化钠溶液中进行表面清洗的过 程,通常也称为碱腐蚀或碱洗。其作用是作为制品经某 些脱脂方法脱脂后的补 充处理, 以便进一步清理表面附着的油污赃物;清除制品表面的自然氧化膜及轻 微的划擦伤。从而使制品露出纯净的金属基体,利于阳极膜的 生成并获得较高 质量的膜层。此外,通过改变溶液的组成、温度、处理时间及其他操作条件,可 得到平滑或缎面无光或光泽等不同状态的蚀洗表面。蚀洗溶液的基本 组成是氢 氧化钠,另外还添加调节剂(NaF、硝酸钠) ,结垢抑制剂、 (葡萄糖酸盐、庚酸 盐、酒石酸盐、阿拉伯胶、糊精等) 、多价螯合剂(多磷酸盐) 、去污 剂。 (三)中和和水清洗 铝制品蚀洗后表面附着的灰色或黑色挂灰在冷的或热的清水洗中都不溶解, 但却 能溶于酸性溶液中,所以经热碱溶液蚀洗 的制品都得进行旨在除去挂灰和残留 碱液,以露出光亮基本金属表面的酸浸清洗,这种过程称为中和、光泽或出光处 理。其工艺过程是制品在 300-400g/L 硝酸(1420kg/立方米)溶液中,室温 下浸洗,浸洗时间随金属组成的不同而有差异,一般浸洗时间 3-5 分钟。含硅或 锰的铝合金制品上的挂灰,可用硝酸 和氢氟酸体积比为 3:1 的混合液,于室温 下处理 5-15 秒。 中和处理还可以在含硝酸 300-400g/L 和氧化铬 5-15g/L 的溶 液或氧化铬 100g/L 加硫酸(1840kg/立方米)10ml/L 溶液中于室温下进行。 各道工序间的水清洗, 目的在于彻底除去制品表面的残留液和可溶于水的反应产 物,使下道工序槽液免遭污染,确保处理效率和质量。清洗大多采用一次冷水清 洗。但碱蚀后的制品普遍采用热水紧接着是冷水的二重清洗。热水的温度为 4060 度。中和处理后的制品经水清洗就可以进行氧化处理,所以这道清洗应特别 认真, 以防止清洁的表面受污染。否则前几道工序的有效处理可能会因最后的清 洗不 当而前功尽弃。经中和、水清洗后的制品应与上进行氧化处理。在空气中 停留的时间不宜过长,如停留 30-40 分钟,制品就需要重新蚀洗和中和。 二、阳极化处理 铝制品表面的自然氧化铝既软又薄,耐蚀性差,不能成为有效防护层更不适合着 色。 人工制氧化膜主要是应用化学氧化和阳极氧化。化学氧化就是铝制品在弱碱 性或 弱酸性溶液中,部分基体金属发生反应,使其表面的自然氧化膜增厚或产 生其他一些钝化膜的处理过程, 常用的化学氧化膜有铬酸膜和磷酸膜,它们既薄吸附性又 好,可进行着色和封 孔处理,表-3 介绍了铝制品化学氧化工艺。化学氧化膜与阳极氧化膜相比,膜 薄得多,抗蚀性和硬度比较低,而且不易着色,着色后的耐光性 差,所以金属 铝着色与配色仅介绍阳极化处理。 1、阳极氧化膜生成的一般原理 以铝或铝合金制品为阳极置于电解质溶液中,利用电解作用,使其表面形成氧化 铝薄膜的过程,称为铝及铝合 金的阳极氧化处理。其装置中阴极为在电解溶液 中化学稳定性高的材料,如铅、不锈钢、铝等。铝阳极氧化的原理实质上就是水 电解的原理。当电流通过时,在阴极 上,放出氢气;在阳极上,析出的氧不仅 是分子态的氧,还包括原子氧(O)和离子氧,通常在反应中以分子氧表示。作 为阳极的铝被其上析出的氧所氧化,形成无 水的氧化铝膜,生成的氧并不是全 部与铝作用,一部分以气态的形式析出。 2、阳极氧化电解溶液的选择 阳极氧化膜生长的一个先决条件是,电解液对氧化膜应有溶解作用。但这并非说 在所有存在溶解作用的电解液中阳极氧化都能生成氧化膜或生成的氧化膜性质 相同。 3、阳极氧化的种类 阳极氧化按电流形式分为:直流电阳极氧化,交流电阳极氧化,脉冲电流阳极氧 化。按电解液分有:硫酸、草酸、铬酸、 混合酸和以磺基有机酸为主溶液的自 然着色阳极氧化。按膜层性子分有:普通膜、硬质膜(厚膜) 、瓷质膜、光亮修 饰层、半导体作用的阻挡层等阳极氧化。铝及铝 合金常用阳极氧化方法和工艺 条件见表-5。其中以直流电硫酸阳极氧化法的应用最为普遍。 4、阳极氧化膜结构、性质 阳极氧化膜由两层组成, 多孔的厚的外层是在具有介电性质的致密的内层上上成 长起来的,后者称为阻挡层(也称活性层) 。用电子显 微镜观察研究,膜层的纵 横面几乎全都呈现与金属表面垂直的管状孔, 它们贯穿膜外层直至氧化膜与金属 界面的阻挡层。以各孔隙为主轴周围是致密的氧化铝构成一 个蜂窝六棱体,称 为晶胞, 整个膜层是又无数个这样的晶胞组成。 阻挡层是又无水的氧化铝所组成, 薄而致密,具有高的硬度和阻止电流通过的作用。阻挡层厚约 0.03-0.05μ m, 为总膜后的 0.5%-2.0%。氧化膜多孔的外层主要是又非晶型的氧化铝及小量的 水合氧化铝所组成,此外还含有电解液的阳离子。 当电解液为硫酸时,膜层中 硫酸盐含量在正常情况下为 13%-17%。氧化膜的大部分优良特性都是由多孔外 层的厚度及孔隙率所觉决定的,它们都与阳极氧化条 件密切相关。 (二)直流电硫酸阳极氧化 1、氧化膜成长机理 在硫酸电解液中阳极氧化,作为阳极的铝制品,在 阳极化初始的短暂时间内, 其表面受到均匀氧化,生成极薄而有非常致密的膜,由于硫酸溶液的作用,膜的 最弱点(如晶界,杂质密集点,晶格缺陷或结构变形处) 发生局部溶解,而出 现大量孔隙,即原生氧化中心,使基体金属能与进入孔隙的电解液接触,电流也 因此得以继续传导,新生成的氧离子则用来氧化新的金属,并以 孔底为中心而 展开,最后汇合,在旧膜与金属之间形成一层新膜,使得局部溶解的旧膜如同得 到“修补”似的。随着氧化时间的延长,膜的不断溶解或修补,氧化反 应得以 向纵深发展, 从而使制品表面生成又薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的 氧化膜。其内层(阻挡层、介电层、活性层)厚度至氧化结束基本都不变,位 置 却不断向深处推移;而外早一定的氧化时间内随时间而增厚。 2、氧化膜厚度计算 阳极氧化生成的氧化膜厚度从理论上可按法拉第第二定律推导的公式进行计算。 3、影响氧化膜生长和质量的因素 当电解液的温度从 20 度上升到 30 度,膜的溶解速度约增加 3 倍。随电流密度 的增加,制品被养护的金 属量、表面生成的铝氧化膜厚度都随着增加。硫酸浓 度对氧化膜厚度的影响不大,为获得中等厚度、多孔而易于着色和封闭、抗蚀性 较高的膜层,浓度最好为 15% -20%;溶液用去离子水要求氯离子15mg/L、 铁离子1mg/L、硫酸根离子30mg/L,电阻率为 5×10 的 5-6 次方 Ω ?cm; 溶液中杂质允许的最大含量铝离子 20g/L,铜离子 2g/L,铁离子 5g/L,氯离 子 0.1g/L。随着阳极氧化时间的延长,氧化膜的 厚度增加,到一定厚度后,由 于膜厚电阻增加、导电能力下降,膜的生长速度减慢,有的合金即使延长氧化时 间,膜的厚度也不会再增加。不同的铝合金的阳极氧化 膜有不同的色彩,纯铝 上的膜无色透明,使金属的光泽完全保持下来;高纯铝添加少量的镁,膜色不会 因氧化时间的延长而改变,当镁的含量超过 2%,膜变暗浊 色;铝硅合金阳极 氧化时,硅不会被氧化或溶解,部分进入膜层使膜呈暗灰色。含硅量大时,阳极 氧化前先用氢氟酸浸泡,膜色会有所好转,一般含硅 5%以上的合 金不适合做 光亮着色制品,含量达 13%就难于进行阳极化处理;含铜的合金,当含量较少 时,膜呈绿色,随铜含量的增加,膜薄,色调深暗。某些变形铝合金的阳 极氧 化处理见表-6。铝合金在硫酸溶液中阳极氧化,由于氧化膜在表面上形成、生长 和溶解, 引起电阻的变化, 使过程中的电流、 槽端电压及电流密度都随之发生 变 化。实际操作中电压升高不宜太快,否则会使生成的膜不均匀。 4、建筑铝型材阳极氧化工艺 建筑铝材是目前阳极氧化处理的主要产品, 其中 75%-85%是用常规硫酸法处 理。中国建筑型材标准规定氧化膜的厚度大于 10μ m。建筑铝材阳极氧化工艺的 最佳工艺参数为电解液硫酸 15%±2%, 铝离子含量小于 5g/L,溶液温度 21± 10C,电流密度(1.3±0.05)A/dm2,时间(对 LD31 合金)30min,则 10μ m;60 分钟,则 可达 18μ m(电压 18V) ,溶液用纯水配制。 (三)其他阳极氧化 1、草酸阳极氧化 对硫酸阳极氧化影响的大部分因素也适用于草酸阳极氧化, 草酸阳极氧化可采用 直流电、 交流电或者交直流电迭加。用交流电氧化比直流电在相同条件下获得 膜层软、弹性较小;用直流电氧化易出现孔蚀,采用交流电氧化则可防止,随着 交流成分的增 加,膜的抗蚀性提高,但颜色加深,着色性比硫酸膜差。电解液 中游离草酸浓度为 3%-10%, 一般为 3%-5%, 在氧化过程中每 A?h 约消耗 0.130.14g,同时每 A?h 有 0.08-0.09g 的铝溶于电解液生成草酸铝,需要消耗 5 倍 于铝量的草酸。溶液中的铝离子浓度控制在 20g/L 以下,当含 30g/L 铝时,溶 液则失效。草酸电解液对氯化物十分敏感,阳极氧化纯铝或铝合金时,氯化物的 含量分别不应超过 0.04-0.02g/L,溶液最好用纯水 配制。电解液温度升高,膜 层减薄。为得到厚的膜,则应提高溶液的 pH 值。直流电阳极氧化用铅、石墨或 不锈钢做阴极,其与阳极的面积比为(1:2)-(1: 1)之间。草酸是弱酸, 溶解能力低,铝氧化时,必须冷却制品及电解液。草酸膜层的厚度及颜色依合金 成分而不同,纯铝的膜厚呈淡黄或银白色,合金则膜薄色深 如黄色、黄铜色。 氧化后膜层经清洗, 若不染色可用 3.43×10 的 4 次方 Pa 压力的蒸汽封孔 30-60 分钟。 2、铬酸阳极氧化 铬酸阳极氧化工艺见表-4。氧化过程中应经常进行浓度分析,适时添加铬酐。 内容来源网络,由深圳机械展收集整理! 更多相关表面处理工艺展示内容,就在深圳机械展!


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