铝合金阳极氧化膜的性能研究

1、文章编号:1001-227X(200102-0035-04铝及铝合金处理铝合金阳极氧化膜的性能研究许旋1,罗一帆1,林国辉2(1.华南师范大学化学系,广东广州510631;2.华南师范大学测试中心,广东广州510631摘要:在硫酸电解液中加入适量由羧酸和有机化合物组成的添加剂,制得铝合金阳极氧化膜。研究了温度对所得氧化膜厚度和硬度和影响,并利用扫描电镜观察了氧化膜的结构。结果表明,高温下形成的氧化膜结构松散,厚度和硬度低,而加入添加剂后,氧化膜溶解减慢,在高温下所形成的氧化膜的厚度和硬度大大增加。关键词:铝合金;阳极氧化膜中图分类号:T Q15316文献标识码:AStudies on the

2、properties of anodic oxidation film on aluminum alloyX U Xuan1,LUO Y i-fan1,LI N G uo-hui2(1.Chemical Dept.,S outh China N ormal Univ.,G uangzhou510631,China;2.T est Center,S outh China N ormal Univ.,G uangzhou510631,ChinaAbstract:Anodic oxidation film was prepared on aluminum alloy in sulfuric acid

3、 electrolyte.An additive was developed which consists of carboxylic acids and organic com pounds.The effect of tem perature on thickness and hardness of the obtained anodic oxidation film was studied,structure of the oxidation film was analyzed by SE M.The results show that oxidation film obtained a

4、t high tem perature has loose structure.Thickness and hardness of the film decrease with the increase of tem perature,while the addition of the additive reduces the diss olution of the oxidation film,and increases film thickness and hardness greatly at high tem perature.K eyw ords:aluminum alloy;ano

5、dic oxidation film1前言铝合金阳极氧化膜已广泛用于防腐和表面装饰,还可用于过滤薄膜1;另外,在Al2O3膜多孔上电沉积某些金属,还可用作垂直磁记录材料23。目前,铝合金阳极氧化一般采用的是硫酸阳极氧化工艺,氧化膜收稿日期:2000-12-27层较厚,硬度较高,电解液成分简单,操作方便。但工艺要求电解液的温度在20±2的范围内,如电解液的温度高于25,氧化膜会变得疏松,膜薄而脆、硬度小、耐磨性差。为了控制电解液的温度,通常采用冷水机组对电解液进行降温,因此,投资大,耗电量多。为了降低成本,人们对铝合金阳极氧化的宽温添加剂进行了研究,然而使用效果不太如意。我们采用扫描电

6、子显微镜对20、35和35时加有宽温添加剂条件下得到的氧化膜进行电镜扫描,并对氧化膜的厚度和硬度进行了测定,为进一步研究铝合金阳极氧化宽温添加剂提供参考。2实验211试验工艺常温脱脂水洗碱蚀水洗水洗出光水洗水洗阳极氧化水洗封孔水洗。212实验材料与仪器铝合金材料为6063型,所用试剂和药品均为一般工厂所用,阳极氧化宽温添加剂为我们自行研制。可控硅整流电源,恒温水浴,HX-1型显微硬度计,KYKY1000B型SE M扫描电镜。213扫描电镜所用阳极氧化膜的制备样品1:20下,不加宽温添加剂阳极氧化膜;样品2:35下,不加宽温添加剂阳极氧化膜;样品3:35下,加有宽温添加剂阳极氧化膜。214阳极氧

7、化膜的厚度和硬度测定参照有关覆盖层横断面显微镜测厚和显微硬度试验方法的国家标准4,5,用显微硬度计测量氧化膜的厚度(和硬度(。分别测10点取平均值,所用载荷为01392 01588N。当膜厚较小(10m以下时,厚度和硬度的测量数据出现较大的离散性,可靠性有所降低。3实验结果与讨论311氧化膜厚度和硬度的影响因素在硫酸电解液中,膜厚和硬度一般随硫酸浓度的升高而降低,表明硫酸对氧化膜的溶解作用随浓度的增加而增强。因此,若要增加膜厚和硬度,应采用较低的硫酸浓度。然而,硫酸浓度较低时,由于稀液的电阻较大,加上反应产生的热较多,使得阳极及表面溶液温度升高过快,加强了硫酸溶解作用,不利于膜的生长。所以,单

8、纯利用降低硫酸浓度来提高膜厚和硬度是不可取的4,5。以浓度为100g/L的硫酸电解液为基液,在阳极电流密度为115A/dm2,电解时间为115h的条件下,测得不同温度时所得氧化膜的厚度(图1和硬度(图2。结果表明,在低温时,得到的氧化膜较厚而硬度也较大,但随着温度的升高,厚度和硬度明显降低;在35时,氧化膜的厚度降至13m,而硬度也只有163kg/mm2。因此,在温度较高时,无法得到较厚和硬度较大的氧化膜 。图1 在无添加剂的电解液中温度对厚度的影响图2在无添加剂的电解液中温度对硬度的影响在100g/L 的硫酸电解液中,加入一些由羧酸和有机化合物组成的宽温添加剂,同样在阳极电流密度为115A/

9、dm 2,电解时间为115h 的条件下,测得不同温度时所得氧化膜的厚度(图3和硬度(图4。结果发现,在低温时,得到的氧化膜的厚度和硬度都比不加宽温添加剂时的大得多,随着温度的升高,厚度和硬度下降较慢;在35时,氧化膜的厚度还有28m ,而硬度也有256kg/mm 2,比20时不加宽温添加剂所得到的膜的厚度和硬度还要大一些。这表明:在硫酸基液中加入一定量的由羧酸和有机化合物组成的添加剂,可以提高工艺温度,同时保证氧化膜的厚度和硬度达到一定的数值。为企业节省制冷设备和高压整流设备的投资和节约电能。 图3在有添加剂的电解液中温度对厚度的影响 图4在有添加剂的电解液中温度对硬度的影响312氧化膜扫描电

10、镜分析为了观察在不同条件下形成的氧化膜的微观结构,我们用扫描电镜对氧化膜结构进行了扫描,得到图57。图5是样品120下,不加宽温添加剂所得阳极氧化膜,图中可看出氧化膜具有明显的多边形孔的结构,孔上略有一些类似棉花状的物质;图6是样品2:35下,不加宽温添加剂所得阳极氧化膜,隐约可见氧化膜多边形孔结构,孔上分布了大量类似棉花状的物质,这些物质已明显溢出了孔口,连成一片,这种结构的形成可能是由于氧化膜厚度和硬度明显下降;而样品3:35下,加有宽温添加剂所得阳极氧化膜的结构(见图7,与前二者有明显的差别,其氧化膜孔的结构明显而致密,孔的周围只有很少类似棉花状的物质,因此,氧化膜的厚度和硬度明显大于前

11、者。铝合金阳极氧化膜是通过隧道效应控制过程、离子迁移控制过程和多孔层的形成与生长过程等三个不同但相互联系、相互影响的过程而形成的6,在形成过程中,由于阻挡层孔穴的产生,电流上升,当孔穴产生且不断扩大时,阻挡层的厚度变薄,电流随之不断上升。孔穴扩大到一定尺寸时会停止增长,此时,随阳极氧化的进行,孔便在孔穴的基础上形成和生长。这种孔穴的形成和生长与温度、溶液组分和浓度等有关。温度升高,氧化膜的生长和溶解均加快。加入宽温添加剂,由于添加剂中的某些成分吸附在新生成的氧化膜上,阻滞了硫酸分子向阳极表面的扩散,添加剂选择性吸附使电极表面活泼区域过高的电流密度得以降低。此外,添加剂对阳极反应生成的H +有较

12、强的缔合作用,降低了阳极表面氧化膜附近溶液的酸性。宽温添加剂的这些作用使氧化膜的溶解得以减缓,从而能在较高温度下形成较厚和较硬的氧化膜。图5样品1:20下,硫酸基液(不加宽温添加剂阳极氧化膜的电镜扫描结构 图6样品2:35下,不加宽温添加剂阳极氧化膜的电镜扫描结构图7样品3:35下,加有宽温添加剂阳极氧化膜的电镜扫描结构4结论在硫酸电解液中,高温下形成的氧化膜结构松散,厚度和硬度都较低,而加入宽温添加剂于硫酸电解液中,氧化膜的溶解减慢,从而在较高温度下也能形成较厚和较硬的氧化膜。参考文献:1市村重俊,等.第89回讲演大会要旨集C.日本,1994.111.2Hideo D ,et al.J .J

13、pn J Appl phys ,1991,30(2:282.3Arai K,et al.J .IEEE T rans.Magn ,1977,27(6:4906.4张振邦,欧阳新平.铝材硬质阳极氧化若干问题探讨J .材料保护,1996,29(1:19.5姚金贵.铝及铝合金的中温硬质阳极氧化J .材料保护,1992,25(1:29.6王为,曾曙,郭鹤桐.恒压阳极氧化Al 2O 3膜形成过程的理论研究J .电镀与精饰,1997,19(4:13.(上接第34页表3氯化聚氯乙烯管材、板材与聚丙烯管材、板材物理性能的比较物理性能试验标准试验温度试验值CPVC PP PVC计算单位吸水率AST M D570230.03%0.011%抗拉强度AST M D63823552049MPa 抗拉弹性系