硫酸阳极氧化
硫酸阳极氧化以铝及其合金作为阳极,铅板为阴极,使用10~30%的硫酸溶液,氧化电压为10~20V,电流密度为0.6~3A/dm2,槽液温度为15~25℃。硫酸阳极氧化能够获得厚度为0.5~20μm的吸附性膜层,通常可以作为一般的防护或者是油漆中的底漆;同时染色较为容易,也可作为装饰的一部分来使用。
硫酸阳极氧化法工艺简单、成本低、电解耗电少、废液处理简单,且制备得的膜材料透明性、显微硬度和耐磨性能较好,在工业中得到了广泛的应用。
磷酸阳极氧化
磷酸阳极氧化法常用于处理含铜量较高的铝合金材料,可通过调节磷酸的浓度得到不同类型的阳极氧化膜。
低浓度磷酸阳极氧化法使用40~50g/L的H3PO4,电压为120V,电流密度为0.5~1.0A/dm2,氧化温度为20℃,氧化时间为10~15分钟。采用低浓度磷酸制备的铝阳极氧化膜可用于喷涂底层。
中浓度磷酸阳极氧化法使用100~150g/L的H3PO4,电压为10~15V,电流密度为1~2 A/dm2,温度为20~25℃,时间为18~22分钟。采用中浓度磷酸制备的铝阳极氧化膜可用于胶接底层。
高浓度磷酸阳极氧化法使用380~420g/L H3PO4,电压为40~60V,电流密度为1~2 A/dm2,温度为25℃,时间为40~60分钟。
采用高浓度磷酸制备的铝阳极氧化膜的孔隙率很大,可用于电镀底层。磷酸阳极氧化技术生产成本较低,没有很强的毒性且对于环境的污染较小,制备的膜层具有较强的防水性,适于在高湿度条件下工作的铝合金工件。
阳极氧化的工艺流程
1. 阳极前预处理
通过脱脂、碱洗,化学抛光等处理,去除其表面的油污、脏物、氧化皮、重金属杂质等,使铝基体裸露出来,为阳极氧化创造良好的环境。
为什么进行脱脂处理?
在机械冷加工过程中使用的切削油,冷却液,磨削用的油等附着在工件表面,造成阳极氧化槽液的污染,也造成氧化膜成长不均,疏松,质量大大下降。同时会影响后面的染色不均,染不上色等等问题。脱脂处理主要有有机溶剂除油,水基乳化清洗剂除油,电化学除油等。
碱洗:铝及其合金阳极氧化之前需要除去致密但不均匀的自然氧化膜。一般铝合金采用以NaOH溶液为主的碱性槽液,NaOH的浓度为30~70g/L,操作温度为40~80℃,时间为3~10分钟。碱腐蚀工艺维护简单,成本低,腐蚀效果好,易于除去铝合金表面的加工条纹。
化学抛光:使用磷酸进一步去除铝及其合金表面的污物,并将铝合金表面自然氧化膜去掉,使铝基体裸露出来,方便后来的阳极氧化。同时,化抛还有整平的作用,可以使喷砂过来的工件表面进一步整平,使表面纹理更好。
2. 阳极氧化
以铝或铝合金制品为阳极放置于电解质溶液中,电流通过时,阴极上放出氢气,阳极上析出氧气,作为阳极的铝被析出的氧所氧化,形成无水的氧化铝膜,氧化膜的孔隙直径大约为0.01-0.03μm。
3. 着色
将阳极氧化过后的铝件表面的氧化膜放置在染色溶液中,使染色分子吸附于阳极氧化膜的孔隙内。阳极氧化膜的孔隙直径大约为0.01-0.03μm,染料在水中分离单分子,直径为大约0.0015-0.0030μm。染色方式分为热染和冷染。热染是在染色溶液加温的情况下进行染色,氧化膜吸附染色分子的速度快,但对时间精度要求高,因而较难控制,所以通常选用冷染。
4. 封闭
封孔方式有高温封孔、中温封孔、低温封孔。考虑成本及技术难度等因素,现在主要使用的是低温封孔。
热水封闭:新鲜的阳极氧化膜在沸水或接近沸点的热水中处理一定的时间后,失去活性,不再吸附染料,已染上的颜色不易退去,这一过程就是封闭,也称封孔。开始用热水封闭时,发现用硬水封闭后的表面有白印和粉霜,研究表明这同温度、pH值、水中的杂质有关,后来改用去离子水封闭,把水的pH值用醋酸调节至4.5~5.0,粉霜可以减少至最低水平。
低温封闭:操作温度25~40℃,封闭速度快几乎是热水封闭的3倍,不易产生粉霜。有的配方加入少量钴盐,防止产生绿色,低温封闭的应用非常普及。
中温封闭:醋酸镍封闭技术替代了部分热水封闭工艺。醋酸镍封闭的原理是镍离子被阳极氧化膜吸附后,发生水解反应,生成氢氧化镍沉淀,填充在孔隙内,达到封闭的目的。
阳极氧化的优缺点
除了铝材本身的防腐蚀特性外,阳极氧化还具有其他诸多优点。
不易剥落
阳极氧化一边侵蚀基材一边不断增长,并与基础材料融为一体。因此不同于镀膜或是涂装,不会剥落。
耐腐蚀性强,不易变色
阳极氧化的主要成分是氧化铝(Al2O3),其化学性质稳定,不容易与其他化学物质发生反应。通过对氧化膜上形成的微孔做封孔处理,可以提供更高的耐腐蚀性。由此可以实现不易变色、不易被腐蚀的特性。
氧化膜坚硬,耐磨损性好
铝本身是一种相当软的金属,容易加工、易于变形。表面硬度只有HV20~150左右。而氧化铝是一种非常硬的物质,阳极氧化的表面硬度提升到了HV200~600左右。耐磨损性由此得以提升。尤其是膜厚超过20μm的硬质阳极氧化,硬度高达HV400以上,表面硬度甚至超过不锈钢。
可染为各种不同颜色,外观美观
阳极氧化形成的薄膜上具有规则排列的微孔。让染料吸附在这些微孔中,可以着色为各种不同色泽。此外,由于阳极氧化本身具有高硬度,所以这种美观状态不易受损。
绝缘性高,不导电
通过阳极氧化工艺形成的氧化铝膜不导电。铝本身具有高导电性,但通过进行阳极氧化处理,可以使其变为绝缘。反之,如果需要导电性,可以通过切削来去除阳极氧化膜层,以露出基材。
散热性高
阳极氧化的热导率低,具有隔热性。但是另一方面,其具备远红外等的辐射性高、高散热性高的特点。因此,经过阳极氧化处理后的铝部件常被用作暖气片等散热部件。
尽管阳极氧化具有诸多优点,但是也有其缺陷及相应的注意事项。
缺乏韧性而易碎
氧化铝是非常坚硬的薄膜。因此其自身也有缺乏韧性、易碎的缺点。如果在阳极氧化处理之后进行钻孔加工或弯曲加工,则可能会导致薄膜出现裂纹,进而会导致阳极氧化从裂纹处开始剥落。理想情况下应在实施阳极氧化处理前预先完成所有加工工序,而如果是采购阳极氧化处理后的材料进行加工,则应小心阳极氧化膜发生破损。
耐热性低
由于阳极氧化膜很脆,因此容易受到基材变形和膨胀收缩的影响也是其缺点之一。尤其是作为其基材的铝是一种很容易发生热膨胀的材料,在超过100℃的环境中,阳极氧化膜可能会出现裂纹或是剥落。
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