鋁陽極氧化與染色技術

1、鋁陽極氧化與染色技術二、陽極化處理鋁制品外表的自然氧化鋁既軟又薄,耐蝕性差,不能成為有效防護層更不適合著色.人工制氧化膜主要是應用化學氧化和陽極氧化.化學氧化就是鋁制品在弱堿性或弱酸性溶液中,局部基體金屬發(fā)生反響,使其外表的自然氧化膜增厚或產(chǎn)生其他一些鈍化膜的處理過程,常用的化學氧化膜有銘酸膜和磷酸膜,它們既薄吸附性又好,可進行著色和封孔處理,表-3介紹了鋁制品化學氧化工藝.化學氧化膜與陽極氧化膜相比,膜薄得多,抗蝕性和硬度比擬低,而且不易著色,著色后的耐光性差,所以金屬鋁著色與配色僅介紹陽極化處理.表-3鋁制品化學氧化工藝序號溶液組成用量g/L溫度/度時間min應用范圍、膜色備注1碳酸鈉45

2、85-10010-20純鋁、AlMgAlMn合金、灰色膜層較疏松銘酸鈉14氫氧化鈉22磷酸55室溫10-15各種鋁合金、淺綠色膜層較1的好銘醉15氟化鈉3硼酸13重銘酸鈉3.5-4室溫2-3各種鋁合金、深黃或棕色溶液pH=1.5銘醉3-3.5膜層較1的好氟化鈉0.84碳酸鈉3290-1003-5純鋁及含MgMn和Si的合金、也可用于含Cu量少的合金、灰可做油漆底層銘酸鈉15色5碳酸鈉4790-10010-15純鋁、AlMn淡透明銀色、空隙少,不能很好的AlMg-Si硬狀態(tài)、硬的著色,不宜做油漆底銘酸鈉14AlSi和AlMg合金,鮮明金屬色層硅酸鈉0.06-16銘酸鈉0.170-8020-50各

3、種鋁合金、灰色有斑點膜層似搪瓷氫氧化胺29.67碳酸鈉20.490-10010-18各種鋁合金、灰色可在酸溶液中發(fā)白重銘酸鉀5一陽極氧化處理的一般概念1、陽極氧化膜生成的一般原理以鋁或鋁合金制品為陽極置于電解質溶液中,利用電解作用,使其外表形成氧化鋁薄膜的過程,稱為鋁及鋁合金的陽極氧化處理.其裝置中陰極為在電解溶液中化學穩(wěn)定性高的材料,如鉛、不銹鋼、鋁等.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,在陰極上,放出氫氣；在陽極上,析出的氧不僅是分子態(tài)的氧,還包括原子氧0和離子氧,通常在反響中以分子氧表示.作為陽極的鋁被其上析出的氧所氧化,形成無水的氧化鋁膜,生成的氧并不是全部與鋁作用,

4、一局部以氣態(tài)的形式析出.2、陽極氧化電解溶液的選擇陽極氧化膜生長的一個先決條件是,電解液對氧化膜應有溶解作用.但這并非說在所有存在溶解作用的電解液中陽極氧化都能生成氧化膜或生成的氧化膜性質相同.適用于陽極氧化處理的酸性電解液見表-4o表-4氧化處理的酸性電解液酸類電離常數(shù)形成電壓基膜顏色硫酸2X10-2第二次電離的H+12-20透明、無色銘酸30-40不透明、帶白色磺基水楊酸40-70透明帶灰色氨基磺酸30-40帶灰色磷酸1.1X10-2第一次7.5X10-8第二次4.8X10-13第三次30-40透明帶白色焦磷酸1.4X10-1第一次1.1X10-2第二次2.9X10-7第三次3.6X10-

5、4第四次70-100帶白色磷鋁酸100以上阻擋層硼酸6.4X10-100-600阻擋層草酸6.5X10-2第一次6.1X10-5第二次40-60帶黃色丙二酸1.61X10-3第一次2.1X10-6第二次80-110帶褐色丁二酸6.6X10-5第一次2.8X10-6第二次120以上白色到黃色順式丁烯二酸1.5X10-5第一次2.6X10-7第二次150-225灰黃色檸檬酸8.4X10-1第一次1.8X10-5第二次4.0X10-6第三次120以上黃褐色酒石酸1.1X10-3第一次120以上黃褐色6.9X10-5第二次苯二酸1.26X10-3第一次3.1X10-6第二次100以上阻擋層亞甲基丁二酸

6、麻蝕,4C干預膜乙醇酸羥基醋酸1.54X10-4麻蝕蘋果酸羥基丁二酸4X10-4第一次9X10-6第二次麻蝕,4c干預膜3、陽極氧化的種類陽極氧化按電流形式分為：直流電陽極氧化,交流電陽極氧化,脈沖電流陽極氧化.按電解液分有：硫酸、草酸、銘酸、混合酸和以磺基有機酸為主溶液的自然著色陽極氧化.按膜層性子分有：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.鋁及鋁合金常用陽極氧化方法和工藝條件見表-5.其中以直流電硫酸陽極氧化法的應用最為普遍.表-5鋁及鋁合金常用陽極氧化方法系列名稱電解液組成電流密度A/dm2電壓V溫度/度時間min顏色膜厚gm備注硫酸Alumilite美硫

7、酸,10%-20%DC1-210-2020-3010-30透明5-30易著色,耐蝕硫酸交流法硫酸,12%-15%AC3-4.517-2813-2520-40透明10-25作油漆底層硫酸硬質膜硫酸,10%-20%DC2-4.523-100260以上灰色34-150耐磨隔熱草酸英美法草酸,5%-10%DC1-1.550-653010-30半透明15氧化鋁膜日草酸,5%-10%AC1-280-12020-2920-60黃褐色6-18日用品裝飾,耐蝕,耐磨DC0.5-125-30半透明EloxalGxh德草酸,3%-5%DC1-240-6018-2040-60黃色10-20用于純鋁耐磨EloxalGx

8、h德DC1-230-453520-30幾乎無色6-10膜薄、軟,易著色EloxalWx德AC2-340-6025-3540-60淡黃色10-20適用于鋁線EloxalWGx德AC2-330-6020-3015-30淡黃色6-20AlMn合金DC1-240-60硬質厚膜草酸AC1-2080-2003-560以上黃褐色約20以上較硫酸膜厚約在60011m下高耐磨DC1-2040-604、陽極氧化膜結構、性質陽極氧化膜由兩層組成,多孔的厚的外層是在具有介電性質的致密的內層上上成長起來的,后者稱為阻擋層也稱活性層.用電子顯微鏡觀察研究,膜層的縱橫面幾乎全都呈現(xiàn)與金屬外表垂直的管狀孔,它們貫穿膜外層直至

9、氧化膜與金屬界面的阻擋層.以各孔隙為主軸周圍是致密的氧化鋁構成一個蜂窩六棱體,稱為晶胞,整個膜層是又無數(shù)個這樣的晶胞組成.阻擋層是又無水的氧化鋁所組成,薄而致密,具有高的硬度和阻止電流通過的作用.阻擋層厚約0.03-0.05“m為總膜后的0.5%-2.0%.氧化膜多孔的外層主要是又非晶型的氧化鋁及小量的水合氧化鋁所組成,此外還含有電解液的陽離子.當電解液為硫酸時,膜層中硫酸鹽含量在正常情況下為13%-17%氧化膜的大局部優(yōu)良特性都是由多孔外層的厚度及孔隙率所覺決定的,它們都與陽極氧化條件密切相關.二直流電硫酸陽極氧化1、氧化膜成長機理在硫酸電解液中陽極氧化,作為陽極的鋁制品,在陽極化初始的短暫

10、時間內,其外表受到均勻氧化,生成極薄而有非常致密的膜,由于硫酸溶液的作用,膜的最弱點如晶界,雜質密集點,晶格缺陷或結構變形處發(fā)生局部溶解,而出現(xiàn)大量孔隙,即原生氧化中央,使基體金屬能與進入孔隙的電解液接觸,電流也因此得以繼續(xù)傳導,新生成的氧離子那么用來氧化新的金屬,并以孔底為中央而展開,最后集合,在舊膜與金屬之間形成一層新膜,使得局部溶解的舊膜如同得到“修補似的.隨著氧化時間的延長,膜的不斷溶解或修補,氧化反響得以向縱深開展,從而使制品外表生成又薄而致密的內層和厚而多孔的外層所組成的氧化膜.其內層阻擋層、介電層、活性層厚度至氧化結束根本都不變,位置卻不斷向深處推移；而外早一定的氧化時間內隨時間

11、而增厚.2、氧化膜厚度計算0陽極氧化生成的氧化膜厚度從理論上可按法拉第第二定律推導的公式進行計算.o-=Kit式中b為陽極氧化膜厚度vn,I為電流密度A/dm2,t為氧化時間min,K為系數(shù)當氧化鋁密度丫=kg/立方米那么K=0.309上述公式計算的前提是以認為通過的電量全用于氧化鋁析出,同時也把氧化鋁及膜的密度視為純潔的氧化鋁密集的值.但實際情況并非完全如此,為了使K值更切合實際,應將電流效率和在這種工藝條件下所生成膜的密度或孔隙度考慮在內,即：K=1.5771/T式中T為電流效率電極上實際析出的物質量與又總電量換算出的析出物質量之比.K實值各國取值大小各異,美國有取0.328、0.285-

12、0.355,日本有取0.352、0.364、0.25,中國、俄羅斯取0.25.3、影響氧化膜生長和質量的因素當電解液的溫度從20度上升到30度,膜的溶解速度約增加3倍.隨電流密度的增加,制品被養(yǎng)護的金屬量、外表生成的鋁氧化膜厚度都隨著增加.硫酸濃度對氧化膜厚度的影響不大,為獲得中等厚度、多孔而易于著色和封閉、抗蝕性較高的膜層,濃度最好為15%-20%溶液用去離子水要求氯離子15mg/L、鐵離子1mg/L、硫酸根離子30mg/L,電阻率為5X10的5-6次方Qcm溶液中雜質允許的最大含量鋁離子20g/L,銅離子2g/L,鐵離子5g/L,氯離子0.1g/L.隨著陽極氧化時間的延長,氧化膜的厚度增加

13、,到一定厚度后,由于膜厚電阻增加、導電水平下降,膜的生長速度減慢,有的合金即使延長氧化時間,膜的厚度也不會再增加.不同的鋁合金的陽極氧化膜有不同的色彩,純鋁上的膜無色透明,使金屬的光澤完全保持下來；高純鋁添加少量的鎂,膜色不會因氧化時間的延長而改變,當鎂的含量超過2%膜變暗濁色；鋁硅合金陽極氧化時,硅不會被氧化或溶解,局部進入膜層使膜呈暗灰色.含硅量大時,陽極氧化前先用氫氟酸浸泡,膜色會有所好轉,一般含硅5%；上的合金不適合做光亮著色制品,含量達13%就難于進行陽極化處理；含銅的合金,當含量較少時,膜呈綠色,隨銅含量的增加,膜薄,色調深暗.某些變形鋁合金的陽極氧化處理見表-6.鋁合金在硫酸溶液

14、中陽極氧化,由于氧化膜在外表上形成、生長和溶解,引起電阻的變化,使過程中的電流、槽端電壓及電流密度都隨之發(fā)生變化.實際操作中電壓升高不宜太快,否那么會使生成的膜不均勻.表-6某些鋁合金陽極氧化處理效果中國合金理號主要成分含量適用于保護性陽極氧化適用于陽極氧化著色適用于光亮陽極氧化LG599.99AI111111L399.8AI122L599.5AI223334LF2199.0AI223223LF21.25Mn334444LF32.25Mg123LF53.5Mg234334LF75Mg465465LD317Mg465LY110.5Mg、0.5Si445445LY121Si、0.7Mg234334

15、LD81.5Cu、1Si、1Mg365LD22Cu、1Ni、0.9Mg、0.8SiLD54.25Cu、0.625Mn、0.625MgLT14.25Cu、0.75Si、0.75Mn、0.5Mg4Cu、2Ni、1.5Mg2.25Cu、1.5Mg、1.25Ni1Mg0.625Si、0.25Cu、0.25Cr1Si、0.625Mg、0.5Mn5Si注：1優(yōu)良；2良好；3尚好；4可以；5不適合；6只適合于暗的顏色4、建筑鋁型材陽極氧化工藝建筑鋁材是目前陽極氧化處理的主要產(chǎn)品,其中75%-85娼用常規(guī)硫酸法處理.中國建筑型材標準規(guī)定氧化膜的厚度大于10Vm建筑鋁材陽極氧化工藝的最正確工藝參數(shù)為電解液硫酸1

16、5%t2%鋁離子含量小于5g/L,溶液溫度2110Q電流密度1.3+0.05A/dm2,時間對LD31合金30min,那么10gm60分鐘,那么可達18從m電壓18V,溶液用純水配制.三其他陽極氧化1、草酸陽極氧化對硫酸陽極氧化影響的大局部因素也適用于草酸陽極氧化,草酸陽極氧化可采用直流電、交流電或者交直流電迭加.用交流電氧化比直流電在相同條件下獲得膜層軟、彈性較??；用直流電氧化易出現(xiàn)孔蝕,采用交流電氧化那么可預防,隨著交流成分的增加,膜的抗蝕性提升,但顏色加深,著色性比硫酸膜差.電解液中游離草酸濃度為3%-10%一般為3%-5%在氧化過程中每A-h約消耗0.13-0.14g,同時每A-h有0

17、.08-0.09g的鋁溶于電解液生成草酸鋁,需要消耗5倍于鋁量的草酸.溶液中的鋁離子濃度限制在20g/L以下,當含30g/L鋁時,溶液那么失效.草酸電解液對氯化物十分敏感,陽極氧化純鋁或鋁合金時,氯化物的含量分別不應超過0.04-0.02g/L,溶液最好用純水配制.電解液溫度升高,膜層減薄.為得到厚的膜,那么應提升溶液的pH值.直流電陽極氧化用鉛、石墨或不銹鋼做陰極,其與陽極的面積比為1:2-1:1之間.草酸是弱酸,溶解水平低,鋁氧化時,必須冷卻制品及電解液.草酸膜層的厚度及顏色依合金成分而不同,純鋁的膜厚呈淡黃或銀白色,合金那么膜薄色深如黃色、黃銅色.氧化后膜層經(jīng)清洗,假設不染色可用3.43

18、X10的4次方Pa壓力的蒸汽封孔30-60分鐘.2、銘酸陽極氧化銘酸陽極氧化工藝見表-4.氧化過程中應經(jīng)常進行濃度分析,適時添加銘酊.電解的陰極材料可用鉛、鐵、不銹鋼,最好的陽陰面積比為5:1-10:1.當溶液中三價銘離子多時,可用電解的方法使其氧化成六價銘離子.溶液中的硫酸鹽含量超過0.5%,陽極氧化效果不好,硫酸根離子多時可參加氫氧化鋼或者碳酸鋼使其生成硫酸鋼沉淀.溶液中氯化物含量不應超過0.2g/Lo溶液中銘含量超過70g/L時就應稀釋或更換溶液.銘酸陽極氧化有電壓周期變化的陽極氧化方法或恒電壓陽極氧化法快速銘酸法兩種.3、硬質厚膜陽極氧化硬質陽極氧化是鋁及鋁合金外表生成厚而堅硬氧化膜的

19、一種工藝方法.硬質膜的最大厚度可達250Vm,純鋁上形成的膜層微硬度為12000-15000MPa,合金的一般為4000-6000MPa,與硬銘鍍層的相差無幾,它們在低符合時耐磨性極佳,硬質膜的孔隙率約為20%左右,比常規(guī)硫酸膜低.某些硬質陽極氧化工藝見表-7.表-7硬質陽極氧化工藝編號電解液溫度/度電流密度/(A/dm2)始末電壓/V時間/min膜厚/gm始電壓末電壓115海酸+14-+4.42-2.1261209050215%1酸,4%Na2HC6H5O7+60-+700.4-0.6100300240200310%硫酸+10250W/dm215-25806010-130415%硫酸-1-+

20、4.52-2.525-3040-6060-24028-150510%硫酸+8-+1025606025-60610%-15%硫酸0-+45交流10-1260-70中插直流20-24120-14076%-8%X水合草酸條件視合金而改變86%-7麻酸+3%-6%|機添加劑+4.5-+18+4.5-+181.3-2101504065910%-20%硫酸-6-+1030280160115-1501010%-15%硫酸+8420-25606055-80115,.5%甲酸,8%二水合草酸+15-+253-64590100-2504、瓷質陽極氧化瓷質陽極氧化鋁及鋁合金在草酸、檸檬酸和硼酸的鈦鹽、錯鹽或就鹽溶液

21、中陽極氧化,溶液中鹽類金屬的氫氧化物進入氧化膜孔隙中,從而使制品外表顯示出與不透明而致密的搪瓷或具有特殊光澤的類似塑料外觀的處理過程.瓷質陽極氧化處理工藝流程與常規(guī)硫酸陽極氧化根本一致,不同的是瓷質陽極氧化是在高的直流電壓(115-125V)和較高的溶液溫度(50-60度)、電解液經(jīng)常攪拌、經(jīng)常調節(jié)pH值使之處于1.6-2范圍內的條件進行.對鋁制品外表進行機械拋光：1、機械拋光工序為：粗磨、細磨、拋光、拋亮、噴砂、刷光或滾光等,根據(jù)制外表的粗糙程度來適當采取不同的工序.二、化學除油：化學除油過程是借著化學反響和物理化學作用,除去制件外表的油污.化學除油采用弱堿性溶液中進行.化學除油液的配方和工藝條件：1、配方：氫氧化鈉30-50G/L,工業(yè)洗滌劑0.5-1ML/L,水70-125G.2、工藝條件:溫度：50-60度時間：1-2MIN3、除油后用清水沖洗.4、化學除氧化膜：進行酸洗處理以中和制件外表殘留的堿液,并除去其自然氧化膜,使之