铝及铝合金的阳极氧化工艺

　　铝及其铝合金阳极氧化的方法很多，常用的有硫酸阳极氧化、铬酸阳极氧化、草酸阳极氧化、硬质阳极氧化和瓷质阳极氧化。

 　　<1>硫酸阳极氧化：在稀硫酸电解液中通以直流和交流电对铝及其合金进行阳极氧化处理，可获得5～20微米厚，吸附性较好的无色透明氧化膜。

 　　硫酸阳极氧化工艺简单，溶液稳定，操作方便，允许杂质含量范围较宽，电能消耗少，成本低，且几乎可以适用于铝及各种铝合金的加工，所以在国内已得到了广泛的应用。

影响氧化膜质量的因素主要有：

 　　①硫酸浓度：通常采用15％～20％。浓度升高，膜的溶解速度加大，膜的生长速度降低，膜的孔隙率高，吸附力强，富有弹性，染色性好（易于染深色），但硬度，耐磨性略差；而降低硫酸浓度，则氧化膜生长速度加快，膜的孔隙少，硬度高，耐磨性好。

 　　所以，用于防护，装饰及纯装饰加工时，多使用允许浓度的上限，即20%浓度的硫酸做电解液。

 　　②电解液温度：电解液温度对氧化膜质量影响很大。温度升高，膜的溶解速度加大，膜厚降低。当温度为22～30℃时，所得到的膜是柔软的，吸附能力好，但耐磨性相当差；当温度大于30℃时，膜就变得疏松且不均匀，有时甚至不连续，且硬度低，因而失去使用价值；当温度在10～20℃之间时，所生成的氧化膜多孔，吸附能力强，并富有弹性，适宜染色，但膜的硬度低，耐磨性差；当温度低于10℃，氧化膜的厚度增大，硬度高，耐磨性好，但孔隙率较低。因此，生产时必须严格控制电解液的温度。要制取厚而硬的氧化膜时，必须降低操作温度，在氧化过程中采用压缩空气搅拌和比较低的温度，通常在零度左右进行硬质氧化。

 　　③电流密度：在一定限度内，电流密度升高，膜生长速度升高，氧化时间缩短，生成膜的孔隙多，易于着色，且硬度和耐磨性升高；电流密度过高，则会因焦耳热的影响，使零件表面过热和局部溶液温度升高，膜的溶解速度升高，且有烧毁零件的可能；电流密度过低，则膜生长速度缓慢，但生成的膜较致密，硬度和耐磨性降低。

 　　④氧化时间：氧化时间的选择，取决于电解液浓度，温度，阳极电流密度和所需要的膜厚。相同条件下,当电流密度恒定时,膜的生长速度与氧化时间成正比；但当膜生长到一定厚度时,由于膜电阻升高,影响导电能力,而且由于温升,膜的溶解速度增大，所以膜的生长速度会逐渐降低，到最后不再增加。

 　　⑤搅拌和移动：可促使电解液对流,强化冷却效果，保证溶液温度的均匀性，不会造成因金属局部升温而导致氧化膜的质量下降。

 　　⑥电解液中的杂质：在铝阳极氧化所用电解液中可能存在的杂质有Clˉ,Fˉ,NO3ˉ,Cu2＋,Al3+,Fe2+等。其中 Clˉ,Fˉ,NO3ˉ使膜的孔隙率增加,表面粗糙和疏松。若其含量超过极限值,甚至会使制件发生腐蚀穿孔（Clˉ应小于0.05g/L,Fˉ应小于0.01g/L）；当电解液中Al3+含量超过一定值时，往往使工件表面出现白点或斑状白块,并使膜的吸附性能下降,染色困难（Al3+应小于20g/L）；当Cu2＋含量达0.02g/L时，氧化膜上会出现暗色条纹或黑色斑点；Si2+ 常以悬浮状态存在于电解液中,使电解液微量混浊,以褐色粉状物吸附于膜上。

 　　⑦铝合金成分：一般来说,铝金属中的其它元素使膜的质量下降，且得到的氧化膜没有纯铝上得到的厚,硬度也低，不同成分的铝合金,在进行阳极氧化处理时要注意不能同槽进行。

 　　<2>铬酸阳极氧化：

 　　铬酸阳极氧化是指用5～10%的铬酸电解液对铝及其合金进行阳极氧化的技术。用此法得到的氧化膜具有如下特点:①较薄(与硫酸和草酸氧化膜比)，约2～5微米，可保持工件原有精度和粗糙度；②质软弹性高,几乎没有气孔，耐蚀性强于硫酸阳极氧化膜；③不透明,颜色由灰白至深灰色,甚至彩虹色，故不易染色；④由于孔隙少,膜层不用封闭处理就可使用；⑤与有机物的结合力好,因此常用作油漆的底层；⑥与硫酸阳极氧化比,成本较高,使用受到一定限制。

    <3>草酸阳极氧化：

 　　草酸阳极氧化是用2%～10%的草酸电解液通以直流或交流电进行的氧化工艺。 　　当使用直流电进行阳极氧化时，所得膜层硬度及抗蚀力不亚于H2SO4阳极氧化膜，而且由于草酸溶液对铝及氧化膜的溶解度小，所以可得到比硫酸溶液中更厚的氧化膜层；若用交流电进行氧化,可得较软、弹性好的膜层。草酸阳极氧化的膜层一般为8～20微米，最厚可达60微米。

 　　氧化过程中只要改变工艺条件(如草酸浓度,温度,电流密度,波形等),便可得到银白色、金黄色至棕色等装饰性膜层,不需要再进行染色处理。

 　　草酸阳极氧化电解液对氯离子非常敏感，其质量浓度超过0.04g/L膜层就会出现腐蚀斑点。三价铝离子的质量浓度也不允许超过3g/L。

但草酸阳极氧化成本较高,耗能多(因为草酸电解液的电阻比硫酸,铬酸大),溶液有毒性,且电解液稳定性差。

<4>瓷质阳极氧化：

 　　在电解液中加入某些物质，使其在形成氧化膜的同时被吸附在膜层中，从而获得光滑，有光泽,均匀不透明的类似瓷釉和搪瓷色泽的氧化膜，称“瓷质阳极氧化膜”或“瓷质氧化膜”。这种氧化膜弹性好，抗蚀性好，染色以后可得到具有塑料感的外观。所得膜厚约6～25微米。

 　　下面是瓷质氧化的两种方法：

 　　①在硫酸或草酸溶液中加入某些稀有金属元素（如钛，钍等）的盐类：氧化过程中，由于这些盐类的水解作用产生发色物质沉积于氧化膜孔隙中，形成类似瓷釉的膜层，硬度高，可以保持零件的高精度和高光洁程度，但成本昂贵，溶液使用周期短，工艺条件要求严。

 　　②以铬酐和硼酸的混合液为阳极氧化液:成分简单，成本低，氧化膜弹性好，但硬度较前一种低，可用于一般装饰性瓷质氧化表面处理。

    在氧化溶液中，各种组分的变化将对氧化膜的色泽起决定作用:如随铬酐的升高,膜层颜色向不透明灰色方向转化；随硼酸升高,膜层颜色向乳白色方向转化；而随草酸的升高,膜层颜色向黄色方向转化。