铝的表面处理

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1、1、引言铝为面心立方结构，有较好的导电性和导热性，仅次于Au、Ag、Cu,延展性好、塑性高， 可进行各种机械加工。铝的化学性质活泼，在干燥空气中铝的外表立即形成厚约5nm的致密氧化膜，使铝不会进一 步氧化并能耐水；但铝的粉末与空气混合则极易燃烧；熔融的铝能与水猛烈反应，高温下能 将许多金属氧化物复原为相应的金属；铝是两性的，既易溶于强碱，也能溶于稀酸。铝在大 气中具有良好的耐蚀性，但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各 种铝合金。铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好 的耐蚀性，良好的塑性和较高的强度，称为防锈铝合金，用

2、于制造油箱、容器、管道、铆钉 等。硬铝合金的强度较防锈铝合金高，但防蚀性能有所下降，这类合金有 Al-Cu-Mg 系和 Al-Cu-Mg-Zn系。新近开发的高强度硬铝，强度进一步提高，而密度比普通硬铝减小15%, 且能挤压成形，可用作摩托车骨架和轮圈等构件。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的 高级运动器材。因为在铝中加入3%5%（质量分数）的比铝更轻的金属锂，就可以制造出 强度比纯铝高20%25%，密度仅2.5t/m3的铝锂合金。这种合金用在大型客机上，可使 飞机的重量减少5t多，而载客人数不减少。将铝及其合金置于适当的电解液中作为阳极进行通电处理，此处理过程称为阳极氧化。经过 阳极氧化

3、，铝外表能生成厚度为几个至几百微米的氧化膜。这层氧化膜的外表是多孔蜂窝状 的，比起铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高。采用不 同的电解液和工艺条件，就能得到不同性质的阳极氧化膜。早在1896年，Pollak就提出了在硼酸或磷酸溶液中直流电解，可得到“堡垒”型氧化膜的 专利。到20年代，这个工艺在工业上用于制造电解电容。阳极氧化最初的商业应用是铬酸阳极氧化。G D Bengough和J M Stuart在研究铝上镀铬时， 因接错线发现了铝外表生成了阳极氧化膜。当时的电解液的组成是250g/L铬酸，2.5g/L硫 酸。后来人们进一步研究发现，这种氧化膜可以被墨水或染料

4、染色，氧化膜厚度为35um， 工作电压约50V。这种工艺首先用于飞机制造业，用于油漆的底层，防止裂纹和提高耐蚀性。1927年，日本的Kujirai和Ueki首先采用草酸电解液阳极氧化，可以得到15mm以上的氧 化膜，但工作电压比硫酸阳极氧化高。这种工艺先在日本普及，后来传到德国，逐步被欧洲 人采用，用于店面和建筑物的装饰。1927年，Gower、St afford OBrie n和Par tners 4发表了硫酸阳极氧化的专利，氧化的电流 密度为0.71.3A/dm2,这种电流密度一直延用到现在。硫酸阳极氧化与草酸和铬酸阳极氧 化相比，工作电压更低，电解液成本更小，操作更简单，氧化膜装饰性更强

5、，所以这种工艺 很快得到完善和普及。目前95%以上的阳极氧化是在硫酸中进行的，阳极氧化如果没有特 别指明，通常是指硫酸阳极氧化。2、前处理2.1 脱脂和除油 铝及铝合金早期是延用钢铁的除油工艺，即：槽液为Na2Co3、Na2Si03、Na3P04溶液，操作 温度为4070C，时间为515min。这种工艺性能稳定，寿命长，但槽液成本高，不易洗 净，现在基本不用。20世纪60年代，人们采用NaOH或Na2C03加Na3P04、络合剂、非离子外表活性剂、阴离子 外表活性剂，在室温下脱脂，时间为35min。这种工艺除油效率高，成本低，节能，但槽 液易产生絮状沉淀，络合剂、外表活性剂易带入后续槽形成污染

6、。现在少数厂仍在使用。从80年代开始，酸性脱脂槽液逐步普及，槽液为H2SO4或H2PO4,加HF、Fe3+、H202、NO2- 和非离子外表活性剂，室温下操作，时间为35min。这种工艺效率高，不污染后续槽，是 较好的脱脂工艺，现在应用越来越广泛。典型工艺：H2SO410g/LH3PO410g/LHNO310g/LHF10g/L外表活性剂 2g/L过硫酸钠 5g/L温度4570C时间10120s2.2 碱腐蚀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，对高硅铝合金，采用HN03、 HF混合溶液，在室温下操作，时间35min，工作时会产生有毒气体。一般不用于其他铝合 金，其他铝合金采

7、用以NaOH溶液为主的碱性槽液，NaOH的浓度为3070g/L,操作温度为 4080C，时间为310min。碱腐蚀工艺维护简单，成本低，腐蚀效果好，易于除去铝合 金外表的加工条纹，是阳极氧化重要的配套工艺。目前单独使用NaOH溶液作碱腐蚀已很少 见,往往加入葡萄糖酸钠、柠檬酸钠等络合剂，防止槽液中Al（OH）3沉淀，即所谓“长寿碱”。 加入硫化物，防止重金属在铝合金外表发生置换反应，消除“流痕”。也有的加入氟化物和 硝酸盐，用于产生无光砂面效果。2.3 电解抛光机械抛光后阳极氧化，往往很难保持抛光后的光泽，这主要是机械抛光的局部外表压力不均， 阳极氧化产生无光外表，所以机械抛光不能直接用于光亮

8、阳极氧化。1934年在英国和美国，几乎同时发明了电解抛光工艺“Brytal”和“Alzak”，在碱性 （Brytal工艺）或氟硼酸（Alzak工艺）溶液中阳极电解1020min，得到较高反射率的外表， 并在阳极氧化后继续保持下来。电解抛光是利用电流的作用，使铝合金发生电化学反应，在 铝合金外表凸凹不平的部分发生不同程度的溶解，使铝件外表产生光滑的镜面效果。电解抛 光的铝件，经过后续的阳极氧化处理仍能保持大部分光泽。电解抛光的铝件有较好的耐蚀性， 即使未经阳极氧化处理也能在大气中很长时间不锈蚀，保持原有的光泽。二次世界大战，铝 的反光镜需求大，这一期间铝的电解抛光发展很快。高纯铝片 （99.99

9、）经过电解抛光，可以得到反射率接近100的镜面效果。铝片的纯度越 高得到的反射率越高。常用的工艺有：磷酸-铬酸型，磷酸-硫酸，铬酸型，高氯酸-醋酸型， 磷酸-硫酸-甘油型，氟硼酸型，碳酸钠-磷酸钠型，氢氧化钾-铬酸型。操作温度为室温至 90C，电流密度1020A/dm2,有的工艺高达150A/dm2。电解抛光的主要污染物是六价铬，近年来，随着环保意识的加强，不含铬酸的电解抛光处理 液逐步盛行。不含铬酸的电解抛光处理液的主要问题是，对有些合金抛光不够亮。另外，铝 合金在这种处理液中抛光后，不通电的条件下亮度会迅速下降，需要立即从处理液中取出、 水洗，这给该工艺的广泛应用带来一定的影响。后来，有人

10、在这种处理液中添加某种添加剂， 使这两个问题有所缓解。电解抛光工艺成熟，污染小，但工作电流大，成本高，目前用于高亮度、高装饰性铝件的加 工。2.4 化学抛光化学抛光是40年代后期发明的，当时Henley在做磷酸-硫酸型的电解抛光，没有通电时， 发现铝件的腐蚀有光亮效果，接着他仔细研究了这个现象，得到最早的化学抛光工艺：磷酸 75%（体积），硫酸25%（体积），操作温度为90100C。后来人们发现在上述工艺中加10% 的硝酸，可以得到特别光亮的效果，这时化学抛光才在工业中应用起来，相应的专利陆续公 布。光亮阳极氧化稳定地进入市场，替代了部分钢或铜上镀镍-铬工艺。化学抛光不需要通电，也不需要专用夹

11、具，操作简单，但需要良好的加热和通风设备，使用 高纯铝能得到反射率为100%的效果，普通铝合金也能到达装饰性的光泽度。由于化学抛光 比电解抛光成本低，所以大多数光亮阳极氧化是用化学抛光配套的。最常用的化学抛光工艺 是：磷酸75%（体积分数），硝酸150%（体积分数），硫酸 10% （体积分数） ，操作温度为90 110C，时间为0.53min。有的工艺只有磷酸和硝酸，有些加了醋酸、铬酸或氢氟酸。添 加少量的钻盐、镍盐、铜盐可以增加抛光的亮度。化学抛光最大的缺点是会产生N0X有毒气 体，黄色的N0X气体是强烈的致癌物质，是化学抛光车间难以挥去的“黄龙”。人们采用了 许多方法来解决这一技术难题，日

12、本的Tajima，采用“笼形”化合物吸收有毒气体，得到 无黄烟化学抛光新工艺；德国对于纯度达99.99%的铝件，采用 16%（体积分数）的氟化氢 铵，13%（体积分数）硝酸，25g/L的糊精，操作温度较低，析出气体很少o Kaiser铝和化学 品公司发明了类似的工艺（体积分数）：2.5%硝酸，0.60%，氟化氢铵，0.6%铬酸，0.6% 甘油，0.05%硝酸铜。也有在磷酸一硫酸配方中加有机硫化物替代硝酸，得到无黄烟抛光工 艺。除了酸性化学抛光以外，还有碱性化学抛光工艺，但碱性化学抛光的效果远不及酸性化学抛 光，所以较少应用。典型的碱性抛光配方含：NaOH、NaN02、NaNO3、Na3P04、

13、Cu（N03）2等， 碱性化学抛光无有毒气体析出。3、阳极氧化3.1 硫酸阳极氧化硫酸阳极氧化有以下特点：(1) 槽液成本低，成分简单，操作维护简便，一般只需将硫酸稀释到一定的浓度即可，无需 添加其他化学药品，推荐使用化学纯硫酸，杂质较少的工业级硫酸也可采用，所以成本特别 低。(2) 氧化膜透明度高。纯铝的硫酸阳极氧化膜，是无色透明的，对于铝合金，随着合金元素Si、Fe、Cu、Mn的增加，透明度会下降。相对其他电解液，硫酸阳极氧化膜的颜色是最浅 的。(3) 着色性高，硫酸氧化膜透明，多孔层吸附性强，易于染色和着色，着色鲜艳不易退去， 有很强的装饰作用。(4) 硫酸阳极氧化操作条件为：H2S04

14、(体积)10% 30%温度。C1822Al/g.L-1W20电流密度/A.dm-2 0.63时间/min10603.2 草酸和铬酸阳极氧化草酸阳极氧化在日本应用较普遍，草酸氧化膜的特点和硫酸氧化膜相近，孔隙率低于硫酸氧 化膜，耐蚀性和硬度高于硫酸氧化膜。草酸的槽液成本和操作电压高于硫酸，有些合金的草 酸氧化膜颜色较深。草酸和硫酸阳极氧化都需要良好的冷却系统配套。草酸阳极氧化操作条件为：草酸(体积分数)2%10%温度/C1535电流密度/A.dm-20.53电压/V4060铬酸阳极氧化膜特别耐腐蚀，主要应用干飞机制造工业，铬酸氧化膜和油漆的附着力强，也 用于作油漆的底层，铬酸阳极氧化膜灰色不透明

15、，一般不用于装饰。铬酸阳极氧化操作条件为：Cr03/g.L-130100温度/C40700100电流密度/A.dm-2 0.13 电压/V 时间/min35603.3 硬质阳极氧化在二世界大战后期，为了提高阳极氧化膜的硬度和厚度，把硫酸氧化槽的温度降低至0C, 电流密度提高至2.74.0A/dm2，获得了2550um的“硬质氧化膜”。用草酸加少量硫酸 可以在515C得到硬质氧化膜。有些专利用优化硫酸的浓度，加有机酸或其他添加剂，如 苯六羧酸进行硬质阳极氧化。在苏格兰Campbell发明了采用交流一直流叠加电源，电解液高速流动，0C,电流密度25 35A/dm2，获得100um的硬质阳极氧化膜。

16、现在，脉冲电流用于硬质阳极氧化时，特别是高铜铝合金一般很难硬质阳极氧化，使用脉冲 电流可以防止“烧蚀”。还有许多电源用于硬质阳极氧化，交流加直流，各种频率的单相或 三相脉冲电流、反相电流等。传统的直流硬质阳极氧化，电流密度一般不能超过4.0A/dm2, 单相整流脉冲电源，电流的脉冲峰值可以很大，但保持氧化膜厚度的均匀一致是重要的问题。由于硬质阳极氧化膜具有独特的硬度和耐磨性，所以正逐步被航空、航天、自动化、汽车、 电脑设备、电子和其他工业采用。目前正在开发用聚四氟乙烯、二硫化钼等固体润滑剂封闭， 使硬质阳极氧化膜具有自润滑性能，应用前景更加广泛。4、染色和着色4.1 整体发色阳极氧化1959年，Kaiser铝