金属阳极研修资料-Xue

1、铝阳极处理技术铝阳极处理技术 作成者: SIPL PQA 薛云江 作成日: 2008-06-27 铝制品表面的自然氧化铝既软又薄，耐蚀性差，不能成为有效防护层更不适合着色。 所以通过人工方法来产生均匀坚固，有较高强度，耐腐蚀，并能着上各类颜色的氧 化膜。 主要的方法是应用化学氧化和阳极氧化。 化学氧化膜与阳极氧化膜相比，膜薄得多，抗蚀性和硬度比较低，而且不易着色， 着色后的耐光性差，所以金属铝着色与配色通常采用阳极氧化处理。 目前产品最为常用的方法为硫酸阳极氧化处理方法. 一一.铝合金阳极处理技术介绍铝合金阳极处理技术介绍 一一. .铝的铝的一般特性一般特性 1.化性活泼, 在空气中易形成氧化

2、铝膜. 2. 地球上蕴藏丰富,价格相对低廉. 3.机械加工容易,强度/重量比值高. 4.表面处理应用广泛:阳极处理,锌置换电镀,电泳涂装等. 二二. . 物理性质物理性质 1.硬度=2.62.9 mohs 2.比重=2.702 g/cm2 3.电阻=2.62*10-6 ohm/cm 三三. .化学性质化学性质 1. E=-6.5V 2. 4Al(s)+3O2(g) 2Al2O3 3. Al(s)+4OH- Al(OH)4 4. Al +6HNO3 Al3+3NO2+3H2O+3NO3- 一一.铝合金阳极处理技术介绍铝合金阳极处理技术介绍 一一.铝合金阳极处理技术介绍铝合金阳极处理技术介绍 四四

3、,工艺流程工艺流程 研磨 喷砂 上挂脱脂 中和水洗 阳极处理 水洗染色水洗封孔水洗 下挂 (碱洗) (酸洗) 化学研磨 干燥 无论采用何种方法加工的铝材及制品，表面上都会不同程度地存在着污 垢和缺陷，如灰尘、金属氧化物（天然的或高温下形成的氧化铝薄膜）、 残留油污、沥青标志、人工搬运手印（主要成分是脂肪酸和含氮的化合 物）、焊接熔剂以及腐蚀盐类、金属毛刺、轻微的划擦伤等。因此在氧化 处理之前，用化学和物理的方法对制品表面进行必要的清洗，使其裸露纯 净的金属基体，以利氧化着色顺利进行，从而获得与基体结合牢固、色泽 和厚度都满足要求且具有最佳耐蚀、耐磨、耐候等良好性能的人工膜。 主要处理步骤如下：

4、 （一）脱脂 （二）碱蚀剂 （三）中和和水清洗 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面预处理表面预处理 一，一，脱脂脱脂 铝及铝合金表面脱脂有有机溶剂脱脂、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。 在这些方法中，以碱性溶液特别是热氢氧化钠溶液的脱脂最为有效。 有机溶剂是利用油脂易溶于有机溶剂的特点进行脱脂，常用的溶剂有汽油、煤 油、乙醇、乙酸异戊脂、丙酮、四氯化碳、三氯乙烯等。有机溶剂仅用于小批量小 型的或极污秽的制品脱脂处理。表面活性剂是一些在很低的浓度下，能显著降低液 体表面张力的物质。 常用于脱脂的表面活性剂有肥皂、合成洗涤剂、十二烷基硫酸钠、十二

5、烷基苯 磺酸钠等。 碱性脱脂溶液的配方非常多，传统工艺采用磷酸钠、氢氧化钠和硅酸钠，其中 磷酸钠和硅酸钠有缓蚀、润湿、稳定作用，溶液加热和搅拌有助于获得最好的脱脂 效果。 油脂在酸的存在下也能进行水解反应生成甘油和相应的高级脂肪酸。 电解脱脂可用阳极电流、阴极电流或交流电。在碱性溶液中阴极电流脱脂，阳 极最好为镀镍钢板。其在铝及铝合金表面处理中不常用。 乳化脱脂所用的溶液为互不溶解的水与有机溶剂组成的两相或多相溶液，并添 加有降低表面张力及对各相均有亲和力的去污剂。 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面预表面预处理处理 二，二，碱碱蚀蚀 碱蚀是铝制品在添加或不添加其他物质的氢氧

6、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 着的油污脏物；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。此外，通过改变溶液的组 成、温度、处理时间及其他操作条件，可得到平滑或缎面无光或光泽等不同状态的 蚀洗表面。 蚀洗溶液的基本组成是氢氧化钠，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。 1,除去工件表面原有之Al2O3不导电层 先进行: Al2O3 +OH-

7、 2Al3+含Al+其它 后进行: Al+NaOH NaAlO2+H2+其它 2,调节工件表面的光亮度 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面预表面预处理处理 三，三，中和和水清洗中和和水清洗 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、光泽或出光处理。 工艺过程是制品在300-400g/L硝酸（1420kg/立方米）溶液中，室温下浸洗，浸 洗时间随金属组成的不同而有差异，一般浸洗时间3-5分钟。含硅或锰的铝合金制品 上的挂灰

8、，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的溶液或氧化铬100g/L加硫酸 （1840kg/立方米）10ml/L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，确保处理效率和质量。清洗大多采用一次冷水清 洗。 但碱蚀后的制品普遍采用热水紧接着是冷水的二重清洗。热水的温度为40-60度。 中和处理后的制品经水清洗就可以进行氧化处理，所以这道清洗应特别认真，以防 止清洁的表面受污染。否则前几道工序的有效处理可能会因最后的清洗不当而前功

9、尽弃。 经中和、水清洗后的制品应与上进行氧化处理。在空气中停留的时间不宜过长， 如停留30-40分钟，制品就需要重新蚀洗和中和。 二二. .工作原理工作原理 ( (一一): ):表面预表面预处理处理 1 1、阳极氧化膜生成的一般原理、阳极氧化膜生成的一般原理 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。其装置中阴极为在电解溶液中化学稳 定性高的材料，如铅、不锈钢、铝等。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

10、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。 1.1.阴极半反应阴极半反应 2H2H+ +2e+2e- - H H2 2( (氢气氢气) ) 2.2.阳极半反应阳极半反应 Al Al Al Al 3+ 3+3e +3e- - () () 2H 2H2 2O O OO2 2+4H+4e+4H+4e- - () 3O 3O2 2+4Al +4Al 2Al2Al2 2OO3 3 () Al () Al2 2OO3 3膜生成膜生成 AlAl2 2O O3 3+6H+6H+ + 2Al 2Al 3+ 3+3H +3H2 2O

11、() AlO () Al2 2OO3 3膜溶解膜溶解 (), () 是互相竞争的反应,但当() , () 的反应速率相等时,即表示Al2O3膜的生成与消 失速率相同,膜厚不再增长,即使延长氧化时间,都不再有变化 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):阳极氧化阳极氧化 2 2、阳极氧化膜结构、性质、阳极氧化膜结构、性质 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

12、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 。阻挡层厚约0.03-0.05m，为总膜后的0.5%-2.0%。 氧化膜多孔的外层主要是又非晶型的氧化铝及小量的水合氧化铝所组成，此外还含 有电解液的阳离子。 当电解液为硫酸时，膜层中硫酸盐含量在正常情况下为13%-17%。 氧化膜的大部分优良特性都是由多孔外层的厚度及孔隙率所决定的，它们都与阳极 氧化条件密切相关。 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):阳极氧化阳极氧化 3 3、氧化膜成长机理、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，

13、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

14、不断向深处推移；而外早一定的氧化时间内随时间而增厚。 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):阳极氧化阳极氧化 铝阳极氧化膜生成过程示意图铝阳极氧化膜生成过程示意图 AB C 铝基体 阻挡层 多孔层 A l 2O3. H 2O 铝阳极氧化膜铝阳极氧化膜结构放大图结构放大图 2、俯视图（20000倍）1、俯视图（10000倍） 3、截面图（10000倍） 4、截面图（15000倍） 20304050 4 8 2 6 20 22 60 24 a b c d ABC 时间/s 电压/V 铝阳极氧化膜生成曲线铝阳极氧化膜生成曲线 A.膜层生长 B.阻挡层形成 C.膜层稳定生成, 直到溶解与生长

15、速率达到平衡 4,4,阳极氧化工艺阳极氧化工艺要素要素 为获得均匀一致的氧化膜和孔隙均匀一致，保证足够的循环量，冷 却量，保证良好的导电性是举足轻重的，此外就是氧化工艺的稳定性。 要素如下： 1 1，硫酸浓度：，硫酸浓度：控制在180200gl。稍高的硫酸浓度可促进氧化膜 的溶解反应加快，利于孔隙的扩张，也易于后续的染色； 2 2，铝铝离子浓度：离子浓度：控制在515 gl。铝离子小于5gl，生成的氧化 膜吸附能力降低，铝离子大于15gl时，氧化膜的均匀性受到影响，容 易出现不规则的膜层。 3 3，氧化温度：，氧化温度：控制在20左右，过低的温度致使氧化膜的膜孔致密， 染色速度显著减缓；温度过

16、高，氧化膜蔬松，容易粉化，不利于后续染 色的控制，氧化槽的温差变化应在2以内为宜。 4 4，电流密度：，电流密度：控制在120180am2。电流密度过大，在膜厚一定的 情况下，就要相应地缩短铝制品在槽中的电解时间，这样，氧化膜在溶 液中的溶解减少，膜孔致密，并且膜层容易粉化。 二二. .工作原理工作原理 ( (二二): ):阳极氧化阳极氧化 a.硫酸系 1.无机酸 b.鉻酸系 c.磷酸系 一.酸性电解液 2.有机酸 a.草酸系 b.磺基水杨酸等 3.混合酸 1.氢氧化鈉系 二.碱性电解液 2.磷酸鈉系 3.磷酸二氢鈉系 4.氢氧化銨系 三. 非水电解液 1.溶融电解液 2.硼酸甲酸胺系 阳极氧

17、化工艺分类阳极氧化工艺分类 ( (从电解液方面的分类从电解液方面的分类) ) 二二. .工作原理工作原理 ( (三三): ):染色前处理染色前处理 阳极氧化之后，氧化膜的膜孔中残留有硫酸溶液，因此，染色之前必 须将铝制品彻底清洗干净。避免给染色槽带人杂质离子，尤其是磷酸根离 子、氟离子等，在染色槽之前设立纯水清洗，并且要对水质进行监控是十 分必要的。 另一方面，氧化膜为无机物质,而染料为有机物质,两者之间结合不易. 所以必须于染色前在工件表面覆盖一层兼具无/有机化性的物质, 即“界 面活性剂”,以利氧化膜与染料结合. 染色前處理原理圖 氧化膜層 表面活性物質 1 1 氧化染色原理氧化染色原理

18、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0.01-0.03m， 而染料在水中分离成单分子，直径为0.0015-0.0030m，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。 2 2 染料配方及工艺条件染料配方及工艺条件 参见附件 二二. .工作原理工作原理 ( (四四): ):染色染色 染 料 染 色 原 理 圖 氧 化 膜 層 O N 2 O N 2 O N 2 O N 2 SO H 3 SO H 3 NH 2 O NH 2 1 黑 對稱 O

19、 H NO 2 HO S2 H N 2 COCH3 NO O 2 H 2 SO H 2 706 綠 非對稱 O O O H 804,706染料结构图 2 2 染色染色过程控制要素过程控制要素 (1)(1)温度温度染色过程中，染色速率随温度的升高而加快，因此，染一定深度的颜色所 需的时间随温度升高而缩短。同时，槽液温度上升，同步封孔也会加快，因而，针对 不同的色泽要求，可以适当调整染色温度，避免染色时间过长或过短。 (2)(2)染料浓度染料浓度根据吸附定律，在一定工作条件下，染料在阳极氧化膜上的吸附量随 着染料浓度的提高而增大。在最初配制槽液时，尽可能配制较低浓度的溶液，随着生 产的进行，染料不

20、断地消耗，要不断补充消耗的部分，补充时要少量多次。 (3)(3)时间时间跟电解着色一样，当其它条件不变时，颜色随时间的延长逐渐加深，一般 情况，当氧化条件确定，染色液浓度、温度等确定。我们只有通过调整染色时间以获 得要求的颜色深度。 (4)(4)PHPH值值一般要PH值是56，稳定的PH值对染色非常重要，对混合染料尤其如此， 不同的PH值，可能会有不同的色调，为加强PH值的稳定性，在配制槽液时加入缓冲溶 液是一种可行的办法，同时要加强染色前的水洗，避免带入酸性物质。 二二. .工作原理工作原理 ( (四四): ):染色染色 染色之后，要将铝制品进行水洗，以除去附在铝制品表面的浮色， 此时要注意

21、水洗槽的水质，因为染料分子与氧化膜的结合是可逆的，当 水中存在较多杂质离子时，会促使染料分子与氧化膜分离进入水中，此 时就表现出褪色，这种褪色往往是不均匀的，最终导致同一支料上产生 色差。 二二. .工作原理工作原理 ( (五五): ):染色后水洗染色后水洗 氧化膜孔隙填充过染料后,如不加以处理,放置一段时间后,孔隙中的染料会逐 渐析出或变色,为避免此现象发生, 染色后必须将氧化膜孔隙加以封闭,即为 封孔(seal). 封孔工艺可以有多种，蒸气封孔、热水封孔、中温封孔，部分染料还可以选 择冷封孔工艺。封孔后可能会因为褪色而使颜色较封孔前略为变浅， 一般用沸纯水及蒸汽进行高温封孔,其工艺较成熟,

22、但存在能耗大,工作环境差, 易产生封孔粉等缺点。 自80年代以来,出现了以金属氟化物为主体的常温封孔方法,使用时能耗低,封 孔速度快,封孔效果好,硬度高,不易产生封孔粉。 封孔原理圖 氧化膜層 表面活性物質 二二. .工作原理工作原理 ( (六六): ):封孔封孔 三三. .标准流程标准流程 ( (一一) )阳极染色阳极染色 铝制品阳极氧化通用的工艺流程如下铝制品阳极氧化通用的工艺流程如下： 铝工件上挂具脱脂水洗碱蚀水洗出光水洗 阳极氧化水洗去离子水洗染色或电解着色水洗 去离子水洗封闭水洗下挂具 对于要求高光亮度的铝制品对于要求高光亮度的铝制品，可采用如下的工艺流程可采用如下的工艺流程： 铝工

23、件机械抛光脱脂水洗中和水洗化学或电化学抛光 水洗阳极氧化水洗去离子水洗染色或电解着色水洗 去离子水洗封闭水洗机械光亮 三三. .标准流程标准流程 ( (一一) )阳极染色阳极染色 脱脂 化学抛光 碱性腐蚀 染色前处理 阳极氧化 剥黑膜 染色封孔干燥 冲冲 压压 上挂上挂 包装包装 出货出货 陽極陽極 清清 洗洗 喷喷 砂砂 拉拉 纹纹 接地接地 导通导通 三三. .标准流程标准流程 ( (二二) )相机外盖全过程相机外盖全过程 打打 磨磨 刻刻 印印 染色染色封孔封孔 印印 刷刷 钻钻 切切 外观外观 检查检查 三. 标准流程标准流程 (三三)设备周边配合 項目 類別 設備名稱功能基本規格特殊

24、要求 主設備整流器電解氧化25V /2000A精密SCR 主設備冰水機穩定槽液溫度50冷凍吨4-18 主設備烘干設備去除表面水份85熱風循環 環保設備抽風裝置去除有毒氣體40HP 600m3/mm 負壓式吸氣 靜壓 130mmAq 環保設備廢水分流裝置酸碱水分流PH7 硫酸 H+ 磷酸 硝酸 環保設備磷酸處理設備去除磷酸根3吨/時含磷5PPM 附屬設備過瀘機過瀘槽液雜質230L/min5 /m棉芯 制工具鈦挂具夾持工件作電解鈦質勾夾式導電性強 草酸阳极氧化可采用直流电、交流电或者交直流电迭加。用交流电氧化比直 流电在相同条件下获得膜层软、弹性较小；用直流电氧化易出现孔蚀，采用 交流电氧化则可防止，随着交流成分的增加，膜的抗蚀性提高，但颜色加深， 着色性比硫酸膜差。 草酸是弱酸，溶解能力低，铝氧化时，必须冷却制品及电解液。 草酸膜层的厚度及颜色依合金成分而不同，纯铝的膜厚呈淡黄或银白色，合 金则膜薄色深如黄色、黄铜色。氧化后膜层经清洗，若不染色可用3.4310 的4次方Pa压力的蒸汽封孔30-60分钟。 草酸阳极氧化的特点：草酸相对于硫酸酸性较弱，它的溶膜反应相对较弱， 得到氧化膜氧化电压高，膜孔相对较大，氧化膜孔隙率低。因为氧化膜中有 Al（O