阳极相关知识

1、陽極氧化的原理及相關知識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：以鋁或鋁合金製品為陽極置於電解質溶液中 , 利用電解作用 , 使其表面形成氧化鋁 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 , 將發生以下的反應：在陰極上,按下列反應放出 H2 : 2H + +2eH2在陽極上，40H - 4e 2H2O + O2,析出的氧不僅是分子態的氧 （02）,還包括原子氧（0）, 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 1203 膜: 4A1 + 302 = 2A120

2、3 + 3351J 應指出 , 生成的氧並不是全部與鋁 作用 , 一部分以氣態的形式析出。陽極氧化的種類陽極氧化早就在工業上得到廣泛應用。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時間，膜層既厚又均勻緻密, 且抗蝕性顯著提高的脈衝電流陽極氧化。按電解液分有:硫酸、草酸、鉻酸、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於鋁及大部分鋁合金的陽極氧化處理；

3、膜層較厚、硬而耐磨、封孔後可獲得更 好的抗蝕性；膜層無色透明、吸附能力強極易著色；處理電壓較低,耗電少；處理過程不必改變電壓週期 , 有利於連續生產和實踐操作自動化；硫酸對人身的危害較鉻酸小, 貨源廣 ,價格低等優點。近十年來 , 我國的建築業逐步使用鋁門窗及其它裝飾鋁材 , 它們的表面處理 生產線都是採用這種方法。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展較快，很多工廠已採用了新的工藝技術，並且在 實際生產中積累了豐富的經驗。 已經成熟和正在發展的鋁及其合金陽極氧化工藝方法很多， 可以根據實際生產需要，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

4、解，因為，材料質量的優劣、所含成 份的不同，是會直接影響到鋁製品陽極氧化後的質量的。關於這一點，洪九德、範濟同誌已 有專門論述 （參看電鍍與塗飾 1982 年第 2 期 P.27） 。比如，鋁材表面如有氣泡、划痕、 起皮、粗糙等缺陷，經陽極氧化後，所有疵病依然會顯露出來。而合金成份，對陽極氧化後 的表面外觀，也產生直接的影響。比如，含12%錳的鋁合金，氧化後呈棕藍色，隨鋁材中含錳量的增加，氧化後的表面色澤從棕藍色到深棕色轉化。含矽0.61.5%的鋁合金，氧化後呈灰色，含矽 36%時，呈白灰色。含鋅的呈乳濁色，含鉻的呈金黃至灰色的不均勻 色調，含鎳的呈淡黃色。一般而言，只有含鎂和含鈦量大於 5%

5、的鋁含金，經氧化後可以得 到無色透明且光亮、光潔的外觀。在選擇好鋁及鋁合金材料後，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、草酸氧化法及鉻酸氧化法 ，均在手冊、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、國內已發展的新工藝（一）草酸 -甲酸混合液交流快速氧化 採用草酸 -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

6、快速生成。與純草酸氧化法相 比，這種溶液能使生產率提高 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 ），節約電力 40% 。工藝配方爲：草酸45%、甲酸0.55%，三相交流44 士 2伏，電流密度22.5A/d心溫 度 30 2 C。（二）混合酸氧化此法於 1976 年正式納入日本國家標準，並爲日本北星日輕家庭用品株式會社所採用。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 於印花、著色產品。我國鋁製品行業赴日考察後，於 1979 年開始推薦使用。其推薦工藝配 方爲:H2SO4 10 20% , C

7、OOHCOOH?2H2O 1 2%，電壓 10 20V，電流密度 1 3A/d 心溫度1530 C ,時間30分鐘。（三）瓷質氧化 瓷質氧化主要以鉻酸、硼酸、草酸鈦鉀爲電解質，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 ，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 。目前多應用於鋁炊具 、打火機 、金筆等產品上 ，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製品的裝飾上，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，生成金黃色膜層後，再用高錳酸鉀 20g/l 、

8、H2SO41g/l 的溶液進行陽極氧化處理而成。瀋陽鋁製品廠曾應用此工 藝生產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，用鉻酸或草酸潤濕，使 CrO3 鋪展，已染色的製品的部份 表面在被 CrO3 潤濕後褪色，按需要在任意部份用水將草酸或鉻酸洗去，一般可以停止與圖 像反應。然後再染第二次色或反復進行 CrO3 揩拭、沖水、染色等程序，就可以根據需要出 現花朵、雲彩等圖案。目前多應用在金杯、水杯、茶盒、打火機等產品。（六）大理石花紋染色工藝把氧化後的製品先染第一道底色後 ，經乾燥 ，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，使膜層呈不規則的條紋

9、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（電鍍與塗飾 1982 年第 2期）。（氟化物或鐵鹽類的（七）化學蝕刻氧化 鋁製品經機械拋光及脫脂後，塗复掩蔽劑或感光，乾燥後進行化學刻蝕浸蝕劑 ），形成凹凸圖案。再經電化學拋光及陽極氧化，呈現出主體感很強的表面圖案，能 與不銹鋼的表面外觀相媲美。現多應用於金筆、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a-羥基丙酸、丙三醇後，能抑制氧化膜的溶解，從而可在常溫下進行氧化

10、。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 :H2SO4150 160g/lCH3CH（OH）COOH18ml/lCH2OHCHOHCH2OH12ml/l電流密度0.812A/d m2電壓 1218 伏 溫度1822 C（九 ）化學氧化法 （又稱導電氧化膜 ） 膜層的抗蝕性能接近於硫酸陽極氧化膜。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 :CrO3 4g/l， K4Fe（CN）6? 3H2O 0.5g/l , NaF 1g/l，溫

11、度 20 40 C，時間 20 60 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、新技術已廣泛應用於工業生產。（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， 從而使能採用較高 的電流密度進行高速陽極氧化。原來舊工藝的溶液，採用lA/d m的電流密度的成膜速度爲0.20.25 分，採用這種新工藝溶液後，即使仍用1A/d m的電流密度，成膜速度亦可增至0.40.5 分，大大縮短了處理時間，提高了生產效率。（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

12、，生產效率可提高33% 以上。本法不但適用於普通陽極氧化膜，也適用於硬膜氧化。 如要產生硬質膜，則用降低溶液溫度的方法來實現，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係如下 :10 C硬度 500H , 20 C400H , 30 C30H（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 之種類不同來製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，採用的電流密度爲1A/d m,時間80分鐘。取出後可根據顏色深淺程度要求，把工件浸入不

13、 同濃度的（NH4）2CrO4溶液中，溫度40 C ,時間爲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。然後再放入硫酸氫鈉 （1 克分子量 ）、硫酸氫銨 （1.5 克分子量 ）,溫度 170 C,電流密度1A/d血2,經過上述處理後，可獲得紫紅色並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後，通過電流電解，使金屬陽離子（鎳鹽、銅鹽、鈷鹽等 ）穿入氧化膜的針孔底部，從而著出顏色。這一工藝近年來發展得較快，主要是它能獲得青銅色 系和黑色，受建築行業的歡迎。所著色澤有很穩

14、定的耐光性，也能耐惡劣氣候條件。本工藝 比自然著色法能節省電能。日本的建築用鋁型材幾乎都已採用此法著色。我國天津、營口、 廣東等地亦已引進了此種技術及全套設備。廣東有些單位亦已試驗成功，應用於生產。（五）自然著色法自然著色法是一次電解完成著色的。溶液種類也有好幾種，有用磺基水楊酸和硫酸的，有用 磺基鈦酸和硫酸的，也有用磺基水楊酸和馬來酸的。由於自然著色法大部份都採用有機酸， 所以氧化膜比較緻密，膜層有優良的耐光性、耐磨性和耐蝕性。但此法的缺點是:要得到優良的顏色，必須嚴格控制鋁合金材料的成份才行。1 氧化染色原理2 陽極氧化工藝對染色的影響在氧化染色整個流程中， 因為氧化工藝原因造成染色不良是

15、比較普遍的 。氧化膜的膜厚和孔 隙均勻一致是染色時獲得均勻一致顏色的前提和基礎，為獲得均勻一致的氧化膜，保證足夠的循環量，冷卻量，保證良好的導電性是舉足輕重的，此外就是氧化工藝的穩定性。硫酸濃度，控制在180 200g /1。稍高的硫酸濃度可促進氧化膜的溶解反應加快，利 於孔隙的擴張，更易於染色；鋁離子濃度，控制在 5 15 g/1。鋁離子小於5g/1，生成的氧化膜吸附能力降低，影 響上色速度，鋁離子大於 15g /1時，氧化膜的均勻性受到影響，容易出現不規則的膜層。 氧化溫度，控制在 20 C左右，氧化槽液的溫度對染色的影響非常顯著，過低的溫度致使氧 化膜的膜孔緻密，染色速度顯著減緩；溫度過

16、高，氧化膜蔬松，容易粉化，不利於染色的控 制，氧化槽的溫差變化應在 2C以內爲宜。電流密度，控制在 120 180a /m2。電流密度過大，在膜厚一定的情況下，就要相應地縮 短鋁製品在槽中的電解時間 ，這樣，氧化膜在溶液中的溶解減少 ，膜孔緻密 ，染色時間加長。 同時，膜層容易粉化。膜厚，染色要求氧化膜厚度一般在 10 ym以上沖溶液。膜厚過低，染色容易出現不均勻現象， 同時在要求染深色顏色 （如黑色 ）時，因爲膜厚不夠，導致染料的沉積量有限，無法達到要求 的顏色深度。總而言之，陽極氧化作爲染色的前工序，是染色的基礎。陽極氧化的問題在染色之前，我們 很難看到或者根本無法看到，一旦染上色之後，我

17、們會清晰地看到諸如顏色不均勻的現象。 而此時，生產工作者往往會把問題的原因歸於染色的不正常，而忽略在氧化工藝上尋找原 因。我在剛接觸氧化染色時就常犯這些錯誤。3 染色鋁染黑屬於常溫操作，符合環保，能在鋁合金上面染出一層均勻的黑色膜層，附著力強，不 容易掉色除油 水洗浸染黑水 水洗 封閉3 1 染色前的水洗 陽極氧化之後，氧化膜的膜孔中殘留有硫酸溶液，因此，染色之前必須將鋁製品徹底清洗乾 淨。避免給染色槽帶人雜質離子，尤其是磷酸根離子、氟離子等，在染色槽之前設立純水清 洗，並且要對水質進行監控是十分必要的。3染色槽的配製 在染色所用的染料中，大多數是有機染料，有機染料容易發霉。為有效地防止槽液發

18、霉，配 製槽液前，可以用漂白粉，苯酚一類的藥物將槽體消毒。配製槽液時，加人防黴劑可以有效 地延長染色液的使用時間 。槽液配好之後要存放數小時 ，才能投入使用 ，為保證 ph 值穩定， 可以加入醋酸 醋酸鈉緩3染色過程控制(1)溫度 染色過程中，染色速率隨溫度的升高而加快，因此，染一定深度的顏色所需的時間隨溫度升 高而縮短。同時，槽液溫度上升，同步封孔也會加快，如果溫度過高，同步封孔過快，在染 料分子還未有足夠量吸附在膜孔中， 染料的積聚就會因氧化膜的膜孔閉合而中止， 無法達到 要求的深度，而相對較低的溫度下染色，可以染出更深的顏色，但相應的時間要長，因而， 針對不同的色澤要求，可以適當調整染色溫度，避免染色時間過長或過短。(2)染料濃度根據吸附定律， 在一定工作條件下， 染料在陽極氧化膜上的吸附量隨著染料濃度的提高而增 大。不過，這一規律只在氧化膜本身還具有吸附能力時適用。對於不同深度的顏色，染料濃 度也應作相應調整，在最初配製槽液時，盡可能配製較低濃度的溶液，隨著生產的進行，染 料不斷地消耗，要不斷補充消耗的部分，補充時要少量多次。如果對染料進行濃度測定，要 考慮雜質離子的影響，實際的有效濃度跟檢測可能有較大差別，因此，要定期對染色槽的實 際染色力進行對比檢測。為保證穩定的染色力，生產一段時間後，可以部分的更換槽骸 ?/FONT(3)時間 跟電解著色一樣，當其它條件不變時