铝阳极氧化工艺基本原理幻灯片

铝阳极氧化工艺基本原理 1 铝的物理特性 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 铝及铝合金延展性好 可以通过挤压 轧制成各种型状的材料 3 导电好 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 一般在空气中不反应 5 易表面处理 如阳极氧化 电镀 电泳 喷涂等 提高了铝的装饰性和保护效果 2 铝的化学特性 1 铝的化学性质活泼 在干燥空气中铝的表面立即形成厚约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 熔融的铝能与水猛烈反应 高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属 3 铝是两性的 既易溶于强碱 也能溶于稀酸 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作结构材料使用的各种铝合金 3 1 耐蚀性 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 3 装饰性 不尽可保护抛光表面的光泽 也可染色 着色 获得和保持丰富多彩的外观 4 电绝缘性 5 透明性 6 功能性 铝阳极氧化膜优点 4 第一位数 主要添加合金元素 如1050 5052 6063等 1 纯铝2 主要添加合金元素为铜3 主要添加合金元素为锰或锰与镁4 主要添加合金元素为硅5 主要添加合金元素为镁6 主要添加合金元素为硅与镁7 主要添加合金元素为锌与镁8 不属於上列合金系的新合金 铝合金基本常识 5 脱脂 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 6 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 7 基本组成 一般采用氢氧化钠 有的另外还添加调节剂 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 8 化学抛光 两酸 磷酸 硫酸 磷酸 硝酸 三酸 磷酸 硫酸 硝酸 9 中和 除渍 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 除渍或出光处理 10 基本组成 工艺过程是制品在300 400g L硝酸溶液中 室温下浸洗 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 11 阳极化处理 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 12 阳极氧化的原理 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 13 阳极氧化的种类 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 14 阳极氧化膜结构 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 15 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 而外层在一定的氧化时间内随时间而增厚 16 普通氧化常用参数范围 17 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 Kit式中 为阳极氧化膜厚度 m i为电流密度 A dm2 t为氧化时间 min K为系数 18 氧化膜厚度计算 为了使K值更切合实际 应将电流效率和在这种工艺条件下所生成膜的密度或孔隙度考虑在内 即 K 1 57 式中 为电流效率 电极上实际析出的物质量与又总电量换算出的析出物质量之比 K实值各国取值大小各异 美国有取0 328 0 285 0 355 日本有取0 352 0 364 0 25 中国 俄罗斯取0 25 19 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 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 溶液中杂质允许的最大含量铝离子20g 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 20 染色工艺 铝阳极氧化膜的化学着色是基于多孔膜层有如纺织纤维一样的吸附染料能力而得以进行的 一般阳极氧化膜的孔隙直径为0 01 0 03 m 而染料在水中分离成单分子 直径为0 0015 0 0030 m 着色时染料被吸附在孔隙表面上并向孔内扩散 堆积 而且与氧化铝进行离子键 氢键结合而使膜层着色 经封孔处理 染料被固定在孔隙内 21 不可直接加入染色槽中 需用80 90 的热水溶解后再添加到染色槽中 染色槽使用的水质最好是纯水 防止杂质污染 建浴 22 管理方法 1 浓度控制 药水的浓度直接影响到染色的速度 当浓度过低时 染色速度过慢 造成上色困难 可用混合染料着色 但须注意膜层在染液中可能发生的选择性吸附 使颜色不调和或改变色泽 这样处理的膜层颜色不如用单一染料的耐晒 拼色染应将两种染料分别溶解再置于染浴 2 pH控制 pH值过高 染色困难 甚至无法染色 pH值过低 铝材将会溶解 使染色活性度下降 发生染色雾斑 pH值调节的方法pH提高的方法 醋酸钠或氨水pH降低的方法 稀醋酸溶液 23 染色注意事项 1 染色槽内金属盐过多 如Fe2 Fe3 Cr3 Cu2 Si4 等 会导致染色性能下降 2 杂质阴离子过多 如PO43 Cl SO42 过多 会导致染色异常 3 溶液中带入不纯物 染色槽的长期使用 Al3 的溶入 SO42 的带入 当累计到一定程度时 会导致染色的不均匀性及活性下降 甚至阻碍染色 4 着色不理想的制品可在50 硝酸或5ml L硫酸溶液中褪色 24 设备 1 槽体 不锈钢 SUS304 PP槽等 避免使用铁 铜 铅等材质的槽体 2 加热管 不锈钢 SUS304 石英加热管 3 搅拌 空气搅拌 机械搅拌等 良好的搅拌 增加染色的速度和使产品染色的均匀性 4 过滤 过滤掉混入的各种浑浊物 延长染色槽的寿命 25 封孔处理 一 水合封孔 二 金属盐溶液封孔 26 金属盐溶液封孔 在金属盐溶液中封孔 发生氧化膜的水化反应 又存在着盐类水