1铝合金阳极氧化工艺以及参数理论指导.docx
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1铝合金阳极氧化工艺以及参数理论指导
铝及铝合金的阳极氧化工艺与参数指导
1铝及铝合金阳极氧化办理的来由
铝及其合金在大气中其表面会自然形成一层厚度为40~50A薄的氧化膜。
诚然能使金属稍微有些钝化,但由于它太薄,孔隙率大,机械强度低,不能够有
效地防范金属腐化。
经过阳极氧化办理,能够使铝及其合金表面获取一层比自然氧化膜厚得多的致密膜层(从几十微米甚至到几百微米)。
这层人工氧化膜再经过封闭办理,无晶型的氧化膜转变成结晶型的氧化膜,孔隙也被封闭,因此使金属表面光彩能长久不变,抗蚀性能、机械强度都有所提高,经染色还可获取装饰性的外观。
由于铝及其合金制品经过阳极氧化后拥有好多特点,因此铝阳极氧化工艺在铝制品表面办理中广为应用。
经过阳极氧化后的铝制品耐蚀能力很好。
硫酸阳极氧化法所得的氧化膜厚度可在5-20微米之间,硬度较高,孔隙率大,吸附性强,简单染色
和封闭。
而且拥有操作简略、牢固、成本低等特点,故应用最为宽泛。
2铝及铝合金阳极氧化上膜原理
当把零件挂在阳极上,阴极用铅棒,通入电流后,发生以下反应:
阴极上2H++2e→H2↑
阳极上Al-3e→Al3+
6OH-→3H2O+3O2-
2Al3++3O2-→Al2O3+399(卡)
硫酸还可以够与Al、Al2O3发生反应
2Al+2H2SO4→Al2(SO4)3+3H2↑
Al2O3+H2SO4→AL2(SO4)3+3H3O
铝阳极氧化膜的生长是在“生长”和“溶解”这对矛盾中产生和发展的。
通
电后的最初数秒钟第一世成无孔的致密层(叫无孔层,或阻截层),它虽只有
~,但是拥有很高的绝缘性。
硫酸对膜产生腐化溶解。
由于溶解的不均匀性,薄的地方(孔穴)电阻小,离子可经过,反应连续进行,氧化膜生长,又陪同着氧化膜溶解。
循环往复。
控制必然的工艺条件特别是硫酸浓度和温度可使膜的生长占主导地位。
2.1铝及铝合金阳极氧化过程机理:
a.膜的电化学生成过程
b.膜的化学溶解过程。
必定使膜的生成速度大于溶解速度。
2.2阳极氧化膜的结构:
a.多孔的外层氧化膜外层主若是由非晶型的氧化铝及小量的水合氧化铝所
组成,其他还含有电解液的阴离子。
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%。
氧化膜的大部分优异特点都是由多孔外层的厚度及孔隙率所决定,与阳极氧化条件亲近相关。
b.阻截层阻截层是由无水的Al2O3所组成,厚约μm,为总膜厚的0.5%-2.0%,薄而致密,拥有高的硬度和阻拦电流经过的作用。
3铝及铝合金阳极氧化膜的特点
3.1.硬度较高:
一般氧化膜在300HV左右,硬质氧化膜达500HV
3.2.较高的耐蚀性:
经阳极氧化后获取的膜必定进行封闭办理
3.3.较好的吸附能力:
阳极氧化膜为多孔结构
3.4.很好的绝缘性能:
绝缘击穿电压大于30V/μm
3.5.绝热抗热性能强:
阳极氧化膜可耐温1500℃左右,纯铝为660℃
3.6.有机涂层和电镀层附着性强
3.7.功能性好:
利用阳极氧化膜的多孔性,在微孔中聚积功能性微粒,能够获取各种功能性资料
4铝及铝合金阳极氧化的工艺
依照使用性质分类,能够分为一般阳极氧化(着色)工艺、光
亮阳极氧化(加着色)工艺、硬质阳极氧化
4.1一般阳极氧化工艺:
铝工件→上挂具→脱脂→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}→封孔→水洗→下挂具。
备注:
一般阳极氧化脱脂水洗后若是铝工件表面氧化严重,能够增加碱蚀水洗工序再进行阳极氧化,但是这道工序自己会对铝制品有腐化作用,特别是碱腐更加严重些;对新出来的铝工件样品,如没必要(铝制品表面自然氧化膜少),最好可不做。
4.2光明阳极氧化加着色工艺:
机械抛光→上挂→化学除油→热水冲洗→冲洗(三道)→-硫酸中和→
冲洗(三道)→化学抛光→冲洗(三道)→出光→冲洗→阳极氧化→冲洗→封
闭染色→冲洗→封孔→水洗→干燥→检查
4.3硬质阳极氧化工艺
硬质阳极氧化在工艺工序中并没有明显改变,可是在某些工艺工序的参数中做了不同样的改变。
4.4以上工序辅助工艺点备注:
1)机械抛光:
喷砂、研磨、滚磨,机械加工办理工件表面较大弊端或整平工
作
2)化学除油:
碱洗脱脂除掉表面有机油脂和无机碳化物,干净作用。
工艺要求:
氢氧化钠:
50~70g/L增加适合的表面活性剂
温度:
50~70℃
时间:
~2min
碱洗时间应视工件表面油污除净为止
3)热水冲洗:
热水冲洗的作用主若是脱脂和冲洗碱液。
碱洗后的冲洗最好先用热水冲洗,有利于洗净工件表面上的碱性物质。
有
盲孔、狭缝的工件要加强对该部位的冲洗,并甩净其中的残留溶液,为后序清水作准备。
4)硫酸中和:
酸洗自己的作用是腐化、溶解金属表层、与表面松懈的氧化物发生还原反应,同时它还拥有强脱脂和酸碱中和作用
工艺要求:
10-20℅的硫酸常温2-10S
5)化学抛光:
在特定的溶剂中,利用化学浸蚀的作用,使产品达到整平、光
亮的收效。
工艺要求:
硫酸:
10-15℅、时间:
3-7分钟
磷酸:
70-80℅、温度:
90-110度
硝酸:
5-6℅
6)出光:
硝酸出光除掉表面的氧化皮或不溶物,使表面露出结晶层。
工艺要求:
硝酸:
200~300ml/L
温度:
室温
时间:
视黑膜退净为止(正常5-10S)
若办理杂铝、铸铝还应在此配方的基础上增加50ml/L氢氟酸,以加速除掉碱洗时粘附在铝件表面的不溶物。
7)清洗:
以上冲洗作用,冲洗产品表面因前工序所携带的酸碱随从离子,防范带入后工序槽中破坏槽液成分平衡,以致不良现象产生,在酸洗后最好是用超声波冲洗,特是在钝化后的冲洗,超声波冲洗时要注意一个频率的问题,铝材是比较娇嫩的资料,频率过大或次数过多都很简单被打伤,如有打伤在钝化后特别明显,须机械加工才能掩盖其弊端。
8)氧化:
经前办理后要马上转入氧化工序,以防因工件在大气中搁置过久而又生成自然氧化膜而影响氧化层的质量。
再度浸泡在清水中虽优于曝露在大气中,但也不宜浸泡过久。
氧化过程中溶液的温度是至关重要的工艺条件,溶液温度过高,成膜速度加速,氧化膜简单出现粉化;溶液温度过低,成膜速度缓慢,所生成的膜色彩偏淡,附着力差。
在氧化染色整个流程中,由于氧化工艺原因造成染色不良是比较宽泛的。
氧化膜的膜厚和孔隙均匀一致是染色时获取均匀一致颜色的前提和基础,为
获取均匀一致的氧化膜,保证足够的循环量,冷却量,保证优异的导电性是举足轻重的,在同一型号铅材为求得表面基本一致的色彩,应在同一溶液温
度下办理同样时间
硫酸阳极氧化的工艺成分及要求:
硫酸:
15-28%溶液平时成熟的工业工艺为18-20%(180-200g/L)
温度:
13-26℃
电压:
12-24V
电流:
2
时间:
30-50min
5铝及铝合金阳极氧化工艺参数的影响
5.1铝及铝合金不一样因素对其表面氧化膜的影响:
表1铝及铝合金氧化膜厚度表
氧化膜生成条件
氧化膜厚度
纯铝或Al-Mg合金的自然氧化膜(<300℃)
1~3nm
纯铝的自然氧化膜(>30℃)
<30nm
老例化学氧化膜
2.5~5um
老例阳极氧化壁垒膜
老例保护性阳极氧化膜(如硫酸阳极氧化)
5~30um
硬质阳极氧化膜
25~150um
5.2人工氧化膜的分类和特点
1).电流形式:
a.直流电阳极氧化b.交流电阳极氧化c.脉冲阳极氧化
2).电解液形式:
a.硫酸b.草酸c.铬酸d.混杂酸e.以磺基有机酸为主溶液的自然着色阳极氧化(各氧化膜各种见表2)
3).膜层性质:
a.一般膜b.硬质膜c.瓷质膜d.光明修饰层e.半导体作用的阻截层表2典型的阳极氧化电解液、电解条件和膜特点表
电流密度
主要成分
含量(质量
温度/℃
/A*
氧化膜特点
分数/%)
dm-2
H2SO4
10
≤20
0.5~2
无色透明,可染色
H3PO4
1
20
0.5~2
乳白色,适合作基层
(COOH)2
3~5
25~35
2~3
黄褐色,硬质,有荧光特点
HSO3NH2
25~35
1
乳白色,硬质
H2CrO4
2.5~3
40
灰色,不透明,优异的耐蚀性
NH4B5O8
5
≥90
稳压
耐高电压
Na2CO3
2
5~80
150v稳压
白色,不透明,质软
NH4HO4
混杂熔融
200
2~8
白色,不透明,结晶性膜层
+NaHSO4
物
5.3氧化膜结构跟不一样氧化液的关系
氧化槽液成分对铝及铝合金氧化膜的影响比较明显,不一样氧化槽液获取的氧化膜特点相差很大,见表3:
电解液
浓度/%
温度/℃
阻截层厚度
孔壁厚/nm·V-1
孔径/nm
/nm·V-1
磷酸
4
24
33
草酸
2
24
17
铬酸
3
38
24
硫酸
15
10
12
5.4合金成分对氧化膜的影响
1).镁含量大于5%时,阳极氧化膜会暗哑
2).含锰及铬量即使低至仅1%,氧化膜便带黄色,高出此含量时,金属色彩便
会变的暗黑
3).硅有使氧化膜带灰色的趋向。
但是很大程度上取决于它存在于合金中的形式。
若是以固溶图形式存在而含量低于1%时,它不会使氧化膜明显暗哑。
高出此含量及以非固溶体形式存在时,金属就会呈浑浊的灰色。
有一种特其他含硅3-6%的铝合金就被称为“灰色彩解令”
4).含铜量不高出0.2%左右的铝合金对阳极氧化膜的颜色、透明度或硬度均无甚影响。
以其平时在一些合金(如铝、铜、镁类及其他)所用含量,铜经常会给合金带来不规则斑点、呈微棕色及微灰色外观。
其他,铝铜合金在染色过程中比其他合金更易于发生原电池腐化(点状腐化)
5).锌对氧化膜质量不产生影响。
若是含量在2%左右或稍大,又若是合金不含
其他成分,则在染色中不会产生明显的色彩变化,也不会令染色膜变暗哑。
6)能够用程度形容词来表示不一样合金成分对各种氧化膜的适应性利害,比方见
下表
表4部分不一样铝合金对于阳极氧化的适应性
合金
保护阳极氧化
阳极氧化和着色
光明阳极氧化
硬质阳极氧化
1080
极好
极好
极好
极好
1060
极好
很好
很好
极好
2011
中-好
中-好
不能
好
4043
好
中
不能
好
5005
极好
很好
好
极好
5083
好
好
中
好
6063
极好
很好
好
极好
5.5电流密度和通电氧化时间对氧化膜的影响
氧化时间和膜厚:
在必然温度和槽液下,氧化膜厚度取决于电流密度和氧化时间。
在一准时间内厚度与形成氧化膜的时间成正比。
计算阳极氧化生成的氧化膜厚度公式以下:
σ=kitk=1.57η/γ
其中,σ为阳极氧化膜厚度,μm
i为电流密度,A/dm2
t为氧化时间,min
K为系数,为使K值更符合实质,将电流效率和在这类工艺条件下所
生成膜的密度或孔隙度考虑在内,则:
η为电流效率(电极上实质析出的物质
量与总电量换算出的析出物质量之比)。
K值美国有时取0.328、0.285、0.355,日本有时取0.352、0.364、0.25,中国、俄罗斯取0.25(我们有时也取
0.3).
电流密度过高,会以致制品各部分的膜厚不一样,会使氧化膜的膜孔增大,从而在着色时
产生颜色不均匀且封孔收效差,甚至会产生烧蚀,表面生成能够用手擦去的松懈大膜孔层,
2
一般适合的电流密度范围是,可使膜厚变化保持在最小值。
。
5.6其他要点因素对氧化膜的影响
影响阳极氧化膜层特点或质量收效的要点因素还有槽液浓度,槽液温度,铝离子浓度,杂质含量等,其要点因素的影响在后边的硫酸阳极氧化有详尽介绍。
综上因素,能够列出以下关系表格:
表5阳极氧化条件变化对膜层性质的影响
条件的变化
膜厚极限
硬度
附着与吸
耐蚀性
铝的溶解性
孔隙率
电压
附能力
增加溶液温度
↓
↓
↑
→
↑
↑
↓
增加电流密度
↑
↑
↓
→
↓
↓
↑
减少办理时间
-
↑
↓
↓
↓
↓
↑
降低溶液浓度
↑
↑
↓
→
↓
↓
↑
使用交流电
↓
↓
↑
↓
↑
↑
↓
增加合金的均
↑
↑
↓
↓
↓
↓
↑
匀性
采用浸蚀性较
↑
↑
↓
→
↓
↓
↑
小的电解液
注:
↑表示增加;↓表示减少;→表示条件变化不对其产生影响
6硫酸阳极氧化
工业上用得最多的是硫酸阳极氧化,而且我们实验室用的就是硫酸阳极氧化电解液,故在这里要点商议研究。
6.1硫酸阳极氧化的种类和其工艺参数(见表6)
表6典型的硫酸阳极氧化工艺参数表
名称
电解液组成
电流密度
电压/V
温度
时间
颜色
膜厚
备注
/%
-2
/℃
/min
/um
/A·dm
Alumilite(美)
硫酸,10~20
DC1~2
10~20
20±2
10~30
透明
5~25
易着色,耐蚀,
硫酸交流法
硫酸,12~15
17~28
13~25
20~40
透明
10~25
作油漆表面底
硫酸硬质法
硫酸,10~20
10~23
0±2
60以上
灰色
34~150
层,耐磨隔热
6.2工业上我们用的最多是硫酸直流阳极氧化,其详尽参数控制以下表
7:
表7硫酸直流阳极氧化的工艺参数表
工艺项目指标范围备注
氧化电压12~18v
AA10银白1.15~1.3;着色
1.3~1.5;
电流密度
2
AA15银白可取1.6,过低氧化膜易封
闭;过高易产生起粉
槽液温度
18~22℃
硫酸浓度
15~200g/L
±5g/L
铝离子浓度
<20g/L
光明氧化<12g/L
氧化时间
20~30min
6.3影响硫酸阳极氧化的因素
A.硫酸浓度:
当使用较高浓度的硫酸进行氧化时,初始阶段由于氧化膜的成长速
度较大,氧化膜的孔隙率高,故简单染色,但膜的硬度、耐磨性较差。
在稀硫
酸溶液中获取的阳极氧化膜坚硬耐磨,反光性能好,但孔隙率较低,适用于染
成各种较浅的淡色。
B.铝离子浓度:
当Al3+含量小于20g/L时,对氧化膜表面质量没有明显影响(在1~12g/L范围内,反而对阳极氧化的速度和膜层表面质量起有利作用)。
当Al3+含量高出20g/L后,形成的胶态离子吸附在膜表面,使铝制件表面表现出白点或块状白斑
C.电流密度与电流分布:
电流密度过高,会以致制品各部分的膜厚不一样,会使氧化膜的膜孔增大,从而在着色时产生颜色不均匀且封孔收效差。
适合的电流密
2
度范围是100~150A/m,可使膜厚变化保持在最小值。
对于厚膜料的氧化(如
15~25um),电流密度要取上限并减少绑料面积,有利于膜的生长。
见表8:
表8电流密度对耐蚀性、耐磨性的影响(膜厚同样,时间不一样)
-2
电流密度/A·dm
氧化时间/min
60
48
40
30
24
阳极氧化电压/V
膜厚/:
μm
耐蚀性/s
42
44
73
74
84
比耐蚀性/s·μm-1
落砂量/g
6126
6500
6830
7400
8720
耐磨性/g·μm-1
D.氧化电压:
阳极氧化的氧化电压决定氧化膜孔径大小,低压生成的膜径小,孔数多,而高压使膜孔径大,孔数少(能够参照电压大,电流密度也大可明显预
见)。
见表9
表9四种不一样酸溶液中各种电压下阳极氧化膜的孔数表
阳极氧化溶液
外加电压/V
孔数/个·cm-2
15
76x109
15%硫酸溶液,10℃
20
52x109
30
28x109
20
35x109
2%草酸溶液,25℃
42
11x109
60
6x109
20
22x109
3%铬酸溶液,50℃
40
8x109
60
4x109
20
19x109
4%磷酸溶液,25℃
40
9
8x10
60
4x109
E.槽液温度和槽液的循环搅拌:
为使产生于膜层表面的热量迅速扩展,防范局部
过热,必然要进行逼迫冷却和搅拌电解液。
一般温度控制在18~20℃时获取的氧化膜多孔、吸附性能好、富饶弹性、抗腐化性能较好,但耐磨性能一般。
表10阳极氧化温度对耐蚀性、耐磨性的影响
温度/℃
10
15
18
20
22
25
30
阳极氧化电压/V
膜厚/um
耐蚀性/s
60
71
73
78
65
47
42
-1
比耐蚀性/s·um
落砂量/g
8370
7500
6830
6100
5403
3300
2296
-1
耐磨性/g·um
F.杂质含量:
杂质含量高则被吸附填充到膜孔中,使氧化膜透明度下降,膜层的反光率碰到阻截,影响氧化膜的光明度。
G膜厚的均匀性:
1).改进氧化槽液的循环方式,使槽液温度和浓度均匀,有助于膜厚均匀。
2).控制氧化槽液温度和浓度的颠簸范围,对于捆绑型多工件的同时阳极氧化,有必要控制好每挂料的氧化表面积。
若挂与挂之间膜厚不一样,则是工艺条件颠簸太大或挂与挂料面积相差太多引起的。
3).型材到两边的阴极间距要相等,增大阴极面积,使阴极面积大于工艺挂料面
积。
4)控制好电流密度,若电流密度过高,膜也会不均匀。
7硬质厚膜阳极氧化
铝及铝合金表面生成一种厚而坚硬的氧化膜的一种工艺方法。
7.1硬质厚膜阳极氧化工艺参数和膜层特点跟一般膜对照较以下表
11:
表11一般膜和硬质膜解析比较
种类
一般阳极氧化
硬质阳极氧化
温度
18-22℃左右(有增加剂可达
一般在5℃以下(相对来说温度越低硬质越
30℃)
高)
浓度
20%左右
15%或更低
电流密度
2
2
电压
≤18V
有时高达120V
膜层厚度
厚度相对较薄
膜层厚度>
15um(若过低则达不到硬度≥
300HV的要求)
表面状态
较圆滑
较粗糙(微观,和基体表面粗糙度相关)
孔隙率
高
低(20%)
表面膜状
透明膜,厚度几微米到几十微
膜厚可达250微米、为不透明膜,色彩有褐
色,深褐色,灰色到黑色,膜层越厚,电解
态
米
温度越低,颜色越深
硬度
300HV左右
铝合金上
300-600HV,纯铝上更高可达
1500HV,
抗热耐热
1500℃
熔点高达
2500℃,导热系数低至
60KW/
(m*K),是极好耐热资料。
直流击
35V/μm
穿电压
硫酸
交流击
绝缘电阻率极大,氧化膜
35-55
μm时绝缘
25V/μm
绝缘性能
穿电压
阻值达1000KΩ,击穿电压最小450V,经过
直流击
μm
绝缘封孔后,击穿电压可达
2000V。
10-20V/
穿电压
草酸
交流击
5-8V/μm
穿电压
结合力
附着力强
与基体结合力很牢固,附着力更强
适用途合
以装饰为主
以功能为主(一般用于耐磨、耐热、耐电的
场合)
7.2硬质厚膜阳极氧化工艺解析
目前应用较广的有以下种类:
硫酸硬质阳极氧化脉冲电流法和混杂酸硬质阳极氧化交
直流叠加法。
常用的硬质阳极氧化工艺见表12:
表12
硬质阳极氧化法和工艺参数表
电流密度
始末电压/V
时间
编号
电解液
温度/℃
始电
末电
膜厚/um
/A·dm-2
/min
压
压
1
15%硫酸
+4.4~+14
26
120
90
50
2
15%硼酸
+60~+70
100
300
240
200
3
4%Na2HC6H5O7
+10
2
15~25
80
60
10~130
250W/dm
4
10%硫酸
25~30
40~60
60~240
28~150
5
15%硝酸
+8~+10
25
60
60
25~60
10%硫酸
6
10%~15%硫酸
0~+4
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