铝表面阳极氧化处理方法

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1、铝表面阳极氧化处理方法（一）阳极氧化处理的一般概念 1、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。 2、阳极氧化电解溶液的选择 阳极氧化膜生长的一个先决条

2、件是，电解液对氧化膜应有溶解作用。但这并 非说在所有存在溶解作用的电解液中阳极氧化都能生成氧化膜或生成的氧化膜 性质相同。适用于阳极氧化处理的酸性电解液见表-4。 表-4 氧化处理的酸性电解液 酸类 电离常数 形成电压 基膜颜色 硫酸 210-2（第二次电离的 H+） 12-20 透明、无色 铬酸 30-40 不透明、带白色 磺基水杨酸 40-70 透明带灰色 氨基磺酸 30-40 带灰色 磷酸 1.110-2（第一次）7.510-8（第二次）4.810-13（第三次） 30-40 透明带白色 焦磷酸 1.410-1（第一次）1.110-2（第二次）2.910-7（第三次） 3.610-4（第

3、四次） 70-100 带白色 磷钼酸 100 以上 阻挡层 硼酸 6.410-10 0-600 阻挡层 草酸 6.510-2（第一次）6.110-5（第二次） 40-60 带黄色 丙二酸 1.6110-3（第一次）2.110-6（第二次） 80-110 带褐色 丁二酸 6.610-5（第一次）2.810-6（第二次） 120 以上 白色到黄色 顺式丁烯二酸 1.510-5（第一次）2.610-7（第二次） 150-225 灰黄色 柠檬酸 8.410-1（第一次）1.810-5（第二次）4.010-6（第三次） 120 以上 黄褐色 酒石酸 1.110-3（第一次）6.910-5（第二次） 12

4、0 以上 黄褐色 苯二酸 1.2610-3（第一次）3.110-6（第二次） 100 以上 阻挡层 亚甲基丁二酸 麻蚀，40 干涉膜 乙醇酸（羟基醋酸） 1.5410-4 麻蚀 苹果酸（羟基丁二酸） 410-4（第一次）910-6（第二次） 麻蚀，40 干 涉膜 3、阳极氧化的种类 阳极氧化按电流形式分为：直流电阳极氧化，交流电阳极氧化，脉冲电流阳 极氧化。按电解液分有：硫酸、草酸、铬酸、混合酸和以磺基有机酸为主溶液 的自然着色阳极氧化。按膜层性子分有：普通膜、硬质膜（厚膜）、瓷质膜、 光亮修饰层、半导体作用的阻挡层等阳极氧化。铝及铝合金常用阳极氧化方法 和工艺条件见表-5。其中以直流电硫酸阳

5、极氧化法的应用最为普遍。 表-5 铝及铝合金常用阳极氧化方法 系列 名称 电解液组成 电流密度 A/dm2 电压 V 温度/度 时间 min 颜色 膜 厚 m 备注 硫酸 Alumilite（美） 硫酸，10%-20% DC1-2 10-20 20-30 10-30 透 明 5-30 易着色，耐蚀 硫酸交流法 硫酸，12%-15% AC3-4.5 17-28 13-25 20-40 透明 10-25 作油漆底层 硫酸硬质膜 硫酸，10%-20% DC2-4.5 23-10 02 60 以上 灰色 34-150 耐磨隔热 草酸 英美法 草酸，5%-10% DC1-1.5 50-65 30 10-

6、30 半透明 15 氧化铝膜（日） 草酸，5%-10% AC1-2 80-120 20-29 20-60 黄褐色 6- 18 日用品装饰，耐蚀，耐磨 DC0.5-1 25-30 半透明 Eloxal Gxh（德） 草酸，3%-5% DC1-2 40-60 18-20 40-60 黄色 10- 20 用于纯铝耐磨 Eloxal Gxh（德） DC1-2 30-45 35 20-30 几乎无色 6-10 膜薄、软， 易着色 Eloxal Wx（德） AC2-3 40-60 25-35 40-60 淡黄色 10-20 适用于铝 线 Eloxal WGx（德） AC2-3 30-60 20-30 15

7、-30 淡黄色 6-20 AlMn合金 DC1-2 40-60 硬质厚膜 草酸 AC1-20 80-200 3-5 60 以上 黄褐色 约 20 以上 较硫酸膜 厚约在 600m 下高耐磨 DC1-20 40-60 4、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 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，

8、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觉决定的，它们都与阳极氧化条件 密切相关。 （二）直流电硫酸阳极氧化 1、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，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

9、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，位置却不断向深处推移；而外早一定的氧化时间内随时间而增厚。 2、氧化膜厚度计算 阳极氧化生成的氧化膜厚度从理论上可按法拉第第二定律推导的公式进行计 算

10、。 = Kit 式中 为阳极氧化膜厚度（m），I 为电流密度（A/dm2），t 为氧化时间 （min），K 为系数（当氧化铝密度 =kg/立方米则 K=0.309）。上述公式 计算的前提是以认为通过的电量全用于氧化铝析出，同时也把氧化铝及膜的密 度视为纯净的氧化铝密集的值。但实际情况并非完全如此，为了使 K 值更切合 实际，应将电流效率和在这种工艺条件下所生成膜的密度或孔隙度考虑在内，即： K = 1.57/ 式中 为电流效率（电极上实际析出的物质量与又总电量换算出的析出物质量 之比）。K 实值各国取值大小各异，美国有取 0.328、0.285-0.355，日本有 取 0.352、0.364、

11、0.25，中国、俄罗斯取 0.25。（三）其他阳极氧化 1、草酸阳极氧化 对硫酸阳极氧化影响的大部分因素也适用于草酸阳极氧化，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。电 解液中游离草酸浓度为 3%-10%，一般为 3%-5%，在氧化过程中每 A?h 约 消耗 0.13-0.14g，同时每 A?h 有 0.08-0.09g 的铝溶于电解液生成草酸铝， 需要消耗 5 倍于铝量的草酸。溶液中的铝离子浓度控制在 20g/L

12、 以下，当含 30g/L 铝时，溶液则失效。草酸电解液对氯化物十分敏感，阳极氧化纯铝或铝 合金时，氯化物的含量分别不应超过 0.04-0.02g/L，溶液最好用纯水配制。 电解液温度升高，膜层减薄。为得到厚的膜，则应提高溶液的 pH 值。直流电 阳极氧化用铅、石墨或不锈钢做阴极，其与阳极的面积比为（1：2）- （1：1）之间。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。 2、铬酸阳极氧化

13、 铬酸阳极氧化工艺见表-4。氧化过程中应经常进行浓度分析，适时添加铬 酐。电解的阴极材料可用铅、铁、不锈钢，最好的阳阴面积比为（5：1）- （10：1）。当溶液中三价铬离子多时，可用电解的方法使其氧化成六价铬离 子。溶液中的硫酸盐含量超过 0.5%，阳极氧化效果不好，硫酸根离子多时可 加入氢氧化钡或者碳酸钡使其生成硫酸钡沉淀。溶液中氯化物含量不应超过 0.2g/L。溶液中铬含量超过 70g/L 时就应稀释或更换溶液。铬酸阳极氧化有 电压周期变化的阳极氧化方法或恒电压阳极氧化法（快速铬酸法）两种。 3、硬质（厚膜）阳极氧化 硬质阳极氧化是铝及铝合金表面生成厚而坚硬氧化膜的一种工艺方法。硬质 膜的

14、最大厚度可达 250m ，纯铝上形成的膜层微硬度为 12000- 15000MPa，合金的一般为 4000-6000MPa，与硬铬镀层的相差无几，它们 在低符合时耐磨性极佳，硬质膜的孔隙率约为 20%左右，比常规硫酸膜低。某 些硬质阳极氧化工艺见表-7。 表-7 硬质阳极氧化工艺 编号 电解液 温度/度 电流密度/（A/dm2） 始末电压/V 时间/min 膜厚/m 始电压 末电压 1 15%硫酸 +14-+4.4 2-2.1 26 120 90 50 2 15%硼酸，4%Na2HC6H5O7 +60-+70 0.4-0.6 100 300 240 200 3 10% 硫酸 +10 250W/

15、dm2 15-25 80 60 10-130 4 15% 硫酸 -1-+4.5 2-2.5 25-30 40-60 60-240 28-150 5 10% 硫酸 +8-+10 25 60 60 25-60 6 10%-15% 硫酸 0-+4 5 交流 10-12 60-70 中插直流 20-24 120-140 7 6%-8%二水合草酸 条件视合金而改变 8 6%-7%硫酸+3%-6%有机添加剂 +4.5-+18+4.5-+18 1.3-2 10 150 40 65 9 10%-20% 硫酸 -6-+10 30 280 160 115-150 10 10%-15% 硫酸 +8 4 20-25 60 60 55-80 11 5.5%甲酸，8%二水合草酸 +15-+25 3-6 45 90 100-250 4、瓷质阳极氧化 瓷质阳极氧化铝及铝合金在草酸、柠檬酸和硼酸的钛盐、锆盐或钍盐溶液中 阳极氧化，溶液中盐类金属的氢氧化物进入氧化膜孔隙中，从而使制品表面显 示出与不透明而致密的搪瓷或具有特殊光泽的类似塑料外观的处理过程。瓷质 阳极氧化处理工艺流程与常规硫酸阳极氧化基本一致，不同的是瓷质阳极氧化 是在高的直流电压（115-125V）和较高的溶液温度（50-60 度）、电解液经 常搅拌、经常调节 pH 值使之处于 1.6-2 范围内的条件进行。