铝合金阳极氧化原理PPT课件.ppt

产品开发工程处阳极技术部,铝合金阳极氧化原理,1,1.概述,3.铝合金的阳极氧化,目录,2.铝合金基本常识,2,1.概述,铝及铝合金在大气中会与氧生成氧化膜，由于这种自然氧化膜极薄，耐蚀能力很低，故远不能满足工业上应用的需要。为了提高铝及铝合金的防护性、装饰性和其他功能性，大多数情况下可以采取阳极氧化处理。,3,2.铝合金基本常识,1系为工业纯铝（Al)2系为铝铜合金铝板（Al-Cu)3系为铝锰合金铝板(Al-Mn)4系为铝硅合金铝板(Al-Si)5系为铝镁合金铝板(Al-Mg)6系为铝镁硅合金铝板(AL-Mg-Si)7系为铝锌合金铝板AL-Zn-Mg-(Cu)8系为铝与其他元素,常用铝合金分类,4,2.铝合金基本常识,铝的物理性质,（1）铝合金的突出特点是密度小、强度高；铝的密度为2.7g/cm3；（2）塑性高：铝及铝合金具有优良的延展性，可以通过挤压、轧制成各种形状的产品；（3）导电性好：仅次于金、银、铜；（4）耐腐蚀：易生成氧化膜后具有很好的耐腐蚀性；（5）易表面处理：如阳极氧化、电镀、喷涂、电泳、镭雕等，提高了铝的装饰性和防护效果。,5,2.铝合金基本常识,铝的化学性质,（1）铝的化学性质活泼，在干燥空气中铝的表面立即生成约5nm的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；（2）铝的粉末与空气混合则极易燃烧，熔融的铝能与水剧烈的反应，高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属；（3）铝是两性金属，既溶于强碱，又能与稀酸反应；（4）铝在大气中具有良好的耐蚀性，但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可做结构材料使用的各种铝合金；,6,3.铝合金的阳极氧化,阳极氧化：,在酸性溶液中，电流通过时，阴极上，析出氢气；阳极上，析出的氧（包括分子氧、原子氢和离子氧），通常在反应中以O2表示，作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化，形成氧化铝。,7,铝氧化膜的优点,（1）耐蚀性，膜厚及封孔质量直接影响使用性能；（2）硬度和耐磨性，铝基体的硬度为HV100，普通阳极氧化膜的硬度约HV300，硬质氧化膜可达HV500，硬度和耐磨性是一致的；（3）装饰性，既保持金属的光泽和质感，又可以染色成丰富多彩的彩色；（4）电绝缘性，铝是良导电体，而氧化膜则是高电阻的绝缘膜。绝缘击穿电压可达30200V/um；（5）透明性，铝纯度越高，氧化膜透明度越高；（6）功能性，利用氧化膜的多孔性，可在微孔中沉积功能性微粒，得到功能性材料。,8,因为在空气中生成的自然氧化膜只有0.010.1m厚，装饰性及防护性较差，经阳极化处理，可以使氧化膜增厚至几十微米，甚至几百微米。,铝是比较活泼的金属(标准电位-1.66V)，又是易钝化金属，在空气中表面很容易生成天然氧化物膜，为什么还要进行阳极氧化?,铝及铝合金的阳极氧化是如何进行?,氧化膜的形成与生长,氧化膜的形成与生长,9,中等溶解能力的酸性溶液，石墨/铅/纯铝作为阴极，仅起导电作用,阳极反应：,阴极反应：,同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解,氧化膜的形成与生长,电极反应,10,氧化膜的形成与生长,11,铝阳极化生成的氧化膜包括密膜层和孔膜层。密膜层(阻挡层)厚度很小，孔膜层存在大量孔隙(每平方厘米上亿个)，因此可以着色处理，获得装饰性外观。,氧化膜的结构如何？,12,通过电子显微镜观察，在硫酸、草酸、铬酸和磷酸等电解液中生成的氧化膜的结构基本相似，其孔体都是六角形结构。,靠近金属铝的内层为密膜层(阻挡层)，厚度0.010.05m，电阻率高达109m，显微硬度可达15000MPa。外层为孔膜层，厚度可达250m，疏松多孔，电阻率低(105m)。,氧化膜的形成与生长,氧化膜的结构,13,氧化膜的形成与生长,阳极氧化电压决定氧化膜的孔径大小，低压生成的膜孔径小，孔数多，而高压生成的膜孔径大，孔数小，一定范围内高压有利于生成致密，均匀的膜。一定电压范围内，氧化膜孔径与电压成线性关系。,14,氧化膜的形成与生长,氧化膜的孔隙率和孔径与电解液性质和工艺参数有关，比如在10、15%硫酸中进行阳极化处理，得到的氧化膜的孔径为12nm，对应于电压15、20、30V，氧化膜的孔隙率分别为77109、52109、28109/cm2。,一定电压范围内，氧化膜孔径与电压成线性关系。,15,氧化膜的形成与生长,氧化膜的组成,16,成膜反应究竟是如何进行？为什么阳极氧化要使用酸性溶液？,氧化膜的形成与生长,17,氧化膜的形成与生长,18,因此，为了得到厚度满足要求的氧化膜，阳极化过程的条件必须越出钝化区。铝的阳极化使用酸性溶液，就是这个道理。在酸性溶液中，铝的氧化物虽然不处于热力学稳定状态，但可以处于介稳状态(虚线以上的区域)。氧化物膜在有限溶解的同时继续生成，厚度达到工业应用的要求。,氧化膜的形成与生长,19,Al=Al3+3eE0=-1.66V与pH无关,2Al+3H2O=Al2O3+6H+6eE0=-1.55VEe=-1.55-0.059pH,2H2O=O2+4H+4eE0=1.228VEe=1.228-0.059pH,在阳极极化条件下，比较这三个电极反应发生的倾向。如果不发生析氧，铝能否生成Al2O3？,氧化膜的形成与生长,阳极反应的电位-pH关系,20,氧化膜的生成规律，可以用氧化过程的电压-时间曲线来说明。,氧化膜的形成与生长,氧化膜生成的特性曲线,21,ab段：在开始通电后的很短时间内，电压急剧上升，这时铝表面生成一层致密的、具有很高电阻的氧化膜，厚度约为0.010.015m，称为密膜层或阻挡层。阻挡层阻碍了电流通过及氧化反应继续进行。阻挡层的厚度在很大程度上取决于外加电压。外加电压越高，阻挡层厚度越大，硬度越高。,氧化膜的形成与生长,22,b点的电位以及它出现的时间，主要取决于电解液的性质和操作温度。电解液对氧化膜的溶解速度越快，氧化膜越容易出现孔穴，b点的电压就越低，出现的时间越早。升高电解液温度，氧化膜的溶解速度加快，b点的电压降低，出现的时间提前。,bc段：当电压达到一定数值后开始下降，一般可以比其最高值下降1015%，这是由于电解液对氧化膜的溶解作用所致。由于氧化膜的厚度不均匀，氧化膜最薄的地方因溶解而形成孔穴，该处电阻下降，电压也就随之下降。氧化膜上产生孔穴后，电解液得以与新的铝表面接触，电化学反应又继续进行，氧化膜就能继续生长。,孔穴阻挡层铝基体,氧化膜的形成与生长,23,cd段：当电压下降到一定数值后不再下降，而趋于平稳。此时阻挡层的生成速度与溶解速度达到平衡，其厚度不再增加，因而电压保持平稳。阻挡层厚度不增加，但氧化反应并未停止，在每个孔穴的底部氧化膜的生成与溶解仍在继续进行，使孔穴底部逐渐向金属基体内部移动。随着氧化时间的延长，孔穴加深，形成孔隙和孔壁。孔壁与电解液接触的部分也同时被溶解并水化(Al2O3.xH2O)，从而形成可以导电的孔膜层，其厚度由1至几百微米。,氧化膜的形成与生长,当膜的生成速度和溶解速度达到动态平衡时，即使氧化时间再延长，氧化膜的厚度也不会再增加，此时应停止阳极氧化过程。,24,从氧化过程的分析知，氧化膜的生长，是在已生成的氧化膜下面，即氧化膜与金属铝的交界处，向着基体金属生长。在这个过程中，电解液必须到达孔隙的底部使阻挡层溶解，孔内的电解液必须不断更新。实验测出，膜孔的孔径为0.0150.033m，在这样狭小的孔中，电解液如何进行更新？,氧化膜的形成与生长,25,电解液是通过电渗析更新的。,在电解液中水化了的氧化膜孔壁表面带负电荷，在其附近的溶液中靠近孔壁是带正电荷的离子(比如由于氧化膜溶解而产生的大量Al3+)。由于电位差的影响，产生电渗液流，贴近孔壁带正电荷的液层向孔外流动，而外部的新鲜溶液沿孔的中心轴流向孔内。这种电渗液流是氧化膜生长增厚的必要条件之一。,氧化膜的形成与生长,26,整个阳极氧化电压时间曲线大致分三段：,第一段ab（A段）：无孔层形成，连续、绝缘，0.010.1m第二段bc（B段）：多孔层形成，溶解作用开始，最薄处空穴，第三段cd（C段）：多孔层增厚,氧化膜的形成与生长,27,氧化膜的形成与生长,铝合金氧化膜生成的原理,在铝阳极氧化过程中，氧化膜的生长是两个同时进行过程的作用结果，是在生长和溶解这对矛盾动作中发生和发展的，通电的瞬间，首先生成