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1、 很多金屬或其合金置於空氣中很容易氧化，生成 不穩定的氧化膜，雖有一定的鈍化作用，但仍會隨著 時間而剝落，喪失保護作用，鋁和鋁合金就是例。 而陽極處理是利用液相電化學反應原理，藉由電流在 電解液中使置於陽極的金屬工件表面進行氧化作用而 產生緻密的氧化膜層，以防止鋁金屬進一步氧化，此 經由陽極處理的鋁金屬氧化層具有優良密著性、耐磨 性、抗蝕性及不導電的特性，也可藉由不同顏色染料 在陽極處理後進行金屬氧化膜染色以增加美觀與質 感。 陽極處理之基本理論說明 The Basic Theory of Anodizing Treatment 一、何謂陽極處理（Anodizing）：陽極處理是以電化學方法在
2、鋁及鋁合金表面產生 氧化膜。圖1所示為標準陽極槽的結構圖。鋁和陽極 析出的氧作用生成三氧化二鋁，構成氧化膜的主要成 分，另一種為化學反應，電解液將三氧化二鋁不斷地 溶解，當生成速度大於溶解速度時氧化膜將逐漸生長 ，如圖2、3所示。圖3中，開始通電時，鋁陽極表面 的某些部位開始溶解（time1），時間增長，鋁溶解量 增加，但是陽極表面開始呈現凹凸不平的粗度（time2 ），時間續增，由於凹凸不平造成溶解速率不一，溶 解較快的部位逐漸凹陷（time3），於此同時，溶解的 鋁離子逐漸生成氫氧化鋁與氧化鋁沉積在表面，但是 仍留有孔隙以供溶解反應繼續進行（time4），長時間 之後，堆積的氧化物即形成具
3、多管胞狀的氧化皮膜（ time5）。此眾多管胞組成具微細蜂巢結構的氧化皮膜 ，如圖4及圖5。二、陽極處理的基本原理：圖1 標準陽極槽的結構示意圖圖2 鋁及鋁合金表面的離子作用產生氧化膜 圖3 氧化皮膜的成長示意圖操作電壓愈大，形成 管胞數目愈少，管胞數目 則依電解液：硫酸草酸 鉻酸磷酸順序遞減。 而每一蜂窩中心有一細孔 ，其直徑依處理條件而略 有差異，若以1520、 150200g/l硫酸陽極處理 液1012V為例約 120130A，而每約 有1190個細孔，因此陽極 處理後可吸附各種染料而 染成各種色澤。圖5 鋁陽極後的氧化皮膜電子顯微鏡放大圖陽極處理之基本理論說明 The Basic Th
4、eory of Anodizing Treatment 圖4 鋁陽極後的氧化皮膜微細蜂巢結構圖四、陽極處理製程說明：A. 脫脂 : 除去沖壓/拋光等工段殘余的油脂 皂化: 脫脂液中的鹼與工件表面的油脂反應,生成水溶性的肥皂與甘油(C17H35COO)3C3H5+3NaOH 3C17H15COONa+C3H5(OH)3硬脂酸酯 鹼 肥皂 甘油乳化: 除去工件表面無法皂化的油與腊B. 鹼性腐蝕 : B-1.除去工件表面原有之Al2O3不導電層 先進行: Al2O3 +OH- 2Al3+含Al+其它后進行: Al + NaOH NaAlO2+H2+其它B-2. 調節工件表面的亮度C. 化學拋光：利用
5、化學藥劑將表面因前加工所產生的毛邊或不平整進行蝕平作用。D. 中和 : 將化學拋光所使用的化學溶液進行中和反應去除。 陽極處理主要作為鋁及鋁合金表面絕緣、耐蝕、耐磨及裝飾等用途，陽極處理 後經有機、無機染料或金屬鹽類電解發色而得各種色彩，一般常染為黑色廣用於散 熱片及光學儀器。金屬陽極處理也廣泛應用在裝飾用途上，如運動器材、五金建材、汽車輪圈、 底盤零件、自行車零配件、家電用品、3C產品等等。 三、陽極處理的應用：陽極處理之基本理論說明 The Basic Theory of Anodizing Treatment 鋁材脫脂化學拋光鹼性腐蝕中和陽極氧化表面活化染色封孔烘乾成品圖七 鋁陽極氧化膜
6、生成過程示意圖圖八 鋁陽極氧化膜生成曲線陽極處理之基本理論說明 The Basic Theory of Anodizing Treatment A .膜層生長 B. 阻擋層形成 C. 膜層穩定生成, 直到溶解與生長速 率達到平衡陽極處理電解溶液常用的有硫酸、鉻酸、草酸和磷酸等四類，電解液的種類 與陽極處理操作條件都會影響皮膜管胞的大小與數目，操作電壓愈大，形成管胞 數目愈少，管胞數目則依電解液隨下述順序遞減。 硫酸草酸鉻酸磷酸 電解溶液的分類：表一 陽極處理皮膜管胞數目與製程E. 陽極氧化 : 利用電化學原理, 在鋁工件表面生成一層Al2O3膜,除了抗腐蝕,磨耗目的外,還可以 利用Al2O3陶
7、瓷材料的多孔性,填充染料,達成著色的目的D-1.陰極半反應2H+2e- H2(氫氧)D-2.陽極半反應Al Al 3+3e- ()2H2O O2+4H+4e- ()3O2+4Al 2Al2O3 () Al2O3膜生成Al2O3+6H+ 2Al 3+3H2O () Al2O3膜溶解(), () 是相逆的反應,但當() , () 的反應速率相等時,即表示Al2O3膜的生成與消 失速率相同,膜厚不再增長,即使延長氧化時間,都不再有變化，如圖七及圖八。F. 表面活化:Al2O3膜生成后,並不宜立刻染色,因為Al2O3為無機物質,而染料為有機物質,兩者之間 結合不易.所以必須於染色前在工件表面覆蓋一層兼
8、具無機&有機兩種化性的物質，即“ 界面活性劑”,以利Al2O3與染料結合.G. 染色: 為了增加美觀進行目標顏色染色程序，即將染料分子填充至Al2O3孔隙的過程。染色 劑可分為有機染料與礦物顏料兩種。一般有機染料不耐高溫，較易退色變質，無機化 合物則較穩定，但有含重金屬的可能。 一般陽極處理用染料為有機性,結構如下:804染料結構圖706染料結構圖陽極處理之基本理論說明 The Basic Theory of Anodizing Treatment H. 封孔: Al2O3孔隙填充過染料后,如不加以處理,放置一段時間后,孔隙中的染料會逐漸析 出或變色,為避免此現象發生, 染色后必須將Al2O3
9、孔隙加以封閉,即為封孔(seal).通電開始進行陽極處理時，鋁陽極表面的某些部位開 始溶解，時間增長，鋁溶解量增加，但是陽極表面開始呈 現凹凸不平的粗度，時間續增，由於凹凸不平造成溶解速 率不一，溶解較快的部位逐漸凹陷，於此同時，溶解的鋁 離子逐漸生成氫氧化鋁與氧化鋁沉積在表面，但是仍留有 孔隙以供溶解反應繼續進行，長時間之後，堆積的沉澱即 形成”管壁”，管壁的主要成份是含水氧化鋁或膠狀氫氧 化鋁，愈近管壁中央含水量愈少，愈近純氧化鋁，如右圖 ，近電解液區域即為鋁溶解並沉積的區域，沉積愈久，則 愈緻密。陽極處理皮膜是經由溶解與沉積形成管胞狀，因此處 理之後的皮膜，自電解衣取出後，充滿著孔隙，而
10、且可能 含有大量水份，必須再經封孔程序才能獲得較緻密的皮 膜。封孔的操作方式通常是在近沸騰的水中靜置一段時間 ，陽極處理過程溶解沉積的皮膜的膠狀氫氧化鋁，尤其是 管孔內及管口部位，其經過高溫處理後，會轉化成 Boemite，成份是-Al2O3、H2O或-AlOOH，含有85 的 Al2O3，經此轉換與再結晶之後，管胞即被完全填封，成一 很緻密的皮膜層。視電解液不同，封孔需求性也不同，硫 酸液陽極處理形成的管胞數目最多，因此最需要進行封 孔。陽極處理之基本理論說明 The Basic Theory of Anodizing Treatment SEM的放大倍率必須要提高到50k以上，才有機會看到
11、氧化鋁生成的柱狀結構。染色後未封孔的半成品可以用酒精擦拭把染料重新帶出。鹽霧測試對於封孔程度的鑑別度比酒精擦拭來得好。鋁基材上陽極處理 後的面，黑色的為 hole，白色為grain boundary此為鋁基材的 grain 此為陽極處 理後的hole ，造成的原 因是鋁基材 的pore封孔前表面由圖中可以了解， 封口處理對試片上 較大且深的hole無法 改善封口處理後的表面景 深較一致，故可以看 見封口處理可以改善 陽極處理的表面現象封孔後表面特性陽 極 處 理耐 蝕 性封口後耐腐蝕性高 耐 磨 性高 耐 熱 性較耐熱 導 電 性電的不良導體 染 色可染成各種顏色 塗 裝 附 著 力附著力強，
12、不適合靜電粉體塗裝 皮 膜 厚 度225(可調整) 美 觀 性表面光滑及具有光澤，防指印環 保 性符合環保規範，不含有毒物質及重金屬。可以回收及循環再利 用。皮 膜 形 成處理過程較多，需通電消耗能源較多。鋁合金材質有所限制五、陽極處理的特性 :A.高溫高濕High temperature/High humidity test測試條件：65/90%RH for 72 hoursB.冷熱衝擊 Thermal Shock測試條件：-40/+85 for 24 cycles (72 hours)C.溫度循環Temperature cycling測試條件：-3575 for 72 hoursD.絕緣性
13、量測Insulation Measurement量測方式：以三用電表量測任意距離1cm的兩點， 必需為不導電(OL)。六、可靠度測試項目 :陽極處理之基本理論說明 The Basic Theory of Anodizing Treatment E.膜厚量測 Anodized Layer Thickness Measurement 量測方式：以渦電流膜厚測試儀直接於表面量測其膜厚。渦電流膜厚測試儀三用電表F.百格測試 Cross-Cut Tape Adhesion Test陽極處理之基本理論說明 The Basic Theory of Anodizing Treatment G.酒精/橡皮擦耐磨耗試驗 Abrasion TestH.耐鹽霧試驗 Salt Spray Testn 試驗條件： 1.試驗槽溫度：35.0 2.鹽水溶液 a.鹽水溶液品質：試藥級 b.鹽水溶液PH值：6.5-7.2 c.鹽水溶液比重：1.021.04(水9.51+Nacl 500g) d.鹽水溶液濃度：5% (水9.51+Nacl 500g) 3.噴霧收集量：12 ml/80 cm2/HR n 判定方法 1.目視(10倍放大鏡觀察)：無剥離、裂痕、皺紋、異 色、魚麟 紋及腐蝕性物質。 2.鹽水噴灑72小時後拿出清洗，再確認外觀有無異狀。鹽霧試驗機
