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文档简介

阳极处理1.阳极处理的目的与应用 一般铝合金很容易氧化,氧化层虽有一定钝化作用,但长期曝露之结果,氧化层仍会剥落,丧失保护作用,因此阳极处理的目的即利用其易氧化之特性,藉电化学方法控制氧化层之生成,以防止铝材进一步氧化,同时增加表面的机械性质。另一目的是,藉不同化成反应,产生各种色泽(发色)增进美观。铝合金阳极处理应用广泛,飞机 皮、军事武器、复印机抄纸滚桶、建筑物铝帷幕、铝门窗等。 2.制程 于电解槽中,将金属(如铝或铝合金)工件置于阳极,施加一定电压与电流,促使工件表面形成附着良好的氧化层。简要而言,发生下述反应; 阳极:Me XH2O MeOX 2XH 2Xe 阴极:H2O e 1/2H 2 OH 一般而言,阳极处理工程流程例如下: 工件 脱脂() 水洗 化学光泽() 水洗 脱渍() 水洗 阳极处理 () 水洗 封孔() 水洗 干燥 上述流程中,主要步骤的化学溶液如下: ()有抑制剂之热碱洗液,6070 ()H3PO4HNO3溶液,88110 ()2535HNO3,常温 ()15H2SO4,2125 ()100H2O 3.阳极处理电解液 铝合金阳极处理使用的电解液有很多种,每一种电解液的主要化学成份不同,经其处理后的皮膜组织不同,性质也因之有所差异;有些场合即以电解液归类制程。文献资料有很多不同的配方例,以下每一种仅举一例,但并非仅有此种配方。 i)硫酸液 例如Alumilite制程含1520硫酸,电压是1422伏特,电流密度是12A/dm2,操作温度1825,处理时间1060分钟,皮膜厚度335m,皮膜呈无色透明。 硫酸液制程所得皮膜抗蚀性良好,而且抗磨耗性佳,此制程若将操作温度降至5以下,硫酸浓度降至7左右,处理电压提高至23120伏特,可以长时间处理以获得厚至200m以上的硬质阳极皮膜,应用于需耐磨耗的场合。 ii)铬酸液 例如含510铬酸,电压是40伏特,电流密度是0.150.30A/dm2,操作温度35,处理时间30分钟,所得皮膜约23m,皮膜呈灰色或灰绿色,具有良好的抗蚀性,但耐磨耗性较差,在应用上方能不需封孔。 iii)草酸液 例如Eloxal GX制程含35草酸,电压是4060伏特,电流密度是12A/dm2,操作温度1820,处理时间4060分钟,皮膜呈黄色,厚度1065m,此制程成本高于硫酸液制程。操作温度可以降至35,经长时间处理以获得厚达625m的皮膜。草酸液的色泽较多样化。 iv)磷酸液 例如含10磷酸,电压是1012伏特,电流密度较不定,操作温度2325,处理时间2030分钟,皮膜呈无色,厚度12m;磷酸液处理之皮膜孔隙较大,适于后续电镀。 以上四种电镀液较常用,其原因是,这四种电解液中形成皮膜时,实际上有一定的孔隙,允许铝持续溶出以形成皮膜,同时其皮膜具有一定的溶解度,因此皮膜可以持续成长至其溶解速度与成长速度相等为止,但是,它种电解液如硼酸液,酒石酸液等,其生成的皮膜很致密,不易再允许铝经由电解溶出,因之仅能形成很薄的皮膜。4.阳极处理皮膜形成机构 图一是阳极处理皮膜的扫描式电子显微(SEM)照片,其显示皮膜层实际上是呈管胞(cellular tube)组织,其底部似一般试管底部呈圆弧状。形成此种组织型态的过程如图二说明。开始通电时,铝阳极表面的某些部位开始溶解(time1),时间增长,铝溶解量增加,但是阳极表面开始呈现凹凸不平的粗度(time2),十间续增,由于凹凸不平造成溶解速率不一,溶解较快的部位逐渐凹陷,于此同时,溶解的铝离子逐渐生成氢氧化铝与氧化铝沉积在表面,但是仍留有孔隙以供溶解反应继续进行,长时间之后,堆积的沉淀即形成”管壁”,管壁的主要成份是含水氧化铝或胶状氢氧化铝,愈近管壁中央含水量愈少,愈近纯氧化铝,如图三所示,近电解液区域即为铝溶解并沉积的区域,沉积愈久,则愈致密。 电解液的种类,阳极处理操作条件等,影响皮膜管胞的大小与数目,表10-1提供一比较之例,操作电压愈大,形成管胞数目愈少,管胞数目则依电解液随下述顺序递减。 硫酸草酸铬酸磷酸 5.封孔(Sealing) 阳极处理皮膜是经由溶解与沉积形成管胞状,因此处理之后的皮膜,自电解衣取出后,充满着孔隙,而且可能含有大量水份,必须再经封孔程序才能获得较制密的皮膜。封孔的操作方式通常是在近沸腾的水中浸渍一段时间,阳极处理过程溶解沉积的皮膜是胶状氢氧化铝,尤其是管孔内及管口部位,其经过高温处理后,会转化成Boemite,成份是-Al2O3、H2O或-AlOOH,含有85的Al2O3,经此转换与再结晶之后,管胞即被完全填封,成一很致密的皮膜层,此过程如图四所示。视电解液不同,封孔需求性也不同,如表一所示,硫酸液阳极处理形成的管胞数目最多,因此最需要进行封孔。封孔操作,除了在水中进行之外,也可以在重铬酸溶液(例如5g/l重铬酸钾)进行,此种封孔处理之后,可以大幅度提高抗蚀性。6.硬质阳极处理 一般阳极处理皮膜经封孔之后即有一定的硬度与保护效果,但是在机械工程,尤其是磨擦机械(如复印机的走纸滚桶)由于使用时间长,常需要更高硬度与高厚度皮膜。皮膜形成的机构如前述,是经由溶解与沉积过程,而沉积的皮膜本身也会再溶解,不易使皮膜长的很厚,因此通常利用低温(5)减缓皮膜的在再溶解速度,甚至提高电压以促进铝电解,增加沉积量,此过程除了增加厚度之外,也可以增大每一管胞的口径,相对的减少孔隙度;其厚度可以达到200m以上。根据报导,硬质阳极处理皮膜的耐磨耗性甚至可优于硬铬镀层。硬质阳极处理皮膜由于很厚,通常会有裂缝,对于耐疲劳性较不利。 7.阳极处理皮膜发色 铝金属呈银白色,以硫酸或磷酸电解液阳极皮膜处理以后,封孔前其皮膜多呈无色,由于皮膜封孔前具有孔隙,而且阳极处理过程发生化成反应,因此可以藉控制或改变皮膜成份方式使皮膜具有光泽,这过程称为发色。 发色的原理主要是藉生成有色彩的化合物与皮膜混和以产生色泽,随着化合物不同,可分成无机发色与有机发色。有机发色采用有机染料,无机发色则藉用生成无机化合物;一般而言,有机染料不耐高温,较易变质褪色,无机化合物则较稳定。无机发色的方法有很多种,方法一是,将皮膜依序浸入反应物中,此反应物生成有颜色的填料,经封孔之后,即造成有颜色的皮膜,如: 2CuSO4K4【Fe(CN)6】Cu2【Fe(CN)6】(红棕色)K2SO4 方法之二是,直接将阳极处理皮膜浸于金属盐液,继之以水解以生成颜色,例如于510草酸铁与25草酸铵溶液中浸渍,则可生成古铜色。另一种常用方法是,将阳极处理皮膜浸于适当盐类溶液中,通以交流电,以进行电镀发色,例如于50g/l硫酸镍,30g/l硼酸溶液中,以19伏特交流电,0.50.75A/dm2电流密度处理515分钟,可得古铜色至灰黑色。图10-1 阳极处理表面与横截面SEM照片(2) 图10-2 阳极处理皮膜成

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