阳极氧化的原理及相关知识

阳极氧化的原理及相关知识

铝/铝合金阳极氧化的原理

内容：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。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, 将发生以下的反应：

在阴极上, 按下列反应放出H2：2H + +2e → H2

在阳极上, 4OH –4e→ 2H2O + O2, 析出的氧不仅是分子态的氧(O2), 还包括原子氧(O), 以及离子氧(O-2), 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12O3膜：4A1 + 3O2 = 2A12O3 + 3351J 应指出, 生成的氧并不是全部与铝作用, 一部分以气态的形式析出。阳极氧化的种类阳极氧化早就在工业上得到广泛应用。冠以不同名称的方法繁多, 归纳起来有以下几种分类方法：按电流型式分有：直流电阳极氧化；交流电阳极氧化；以及可缩短达到要求厚度的生产时间，膜层既厚又均匀致密, 且抗蚀性显着提高的脉冲电流阳极氧化。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。按膜层性质分有：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。直流电硫酸阳极氧化法的应用最为普遍, 这是因为它具有适用于铝及大部分铝合金的阳极氧化处理；膜层较厚、硬而耐磨、封孔后可获得更好的抗蚀性；膜层无色透明、吸附能力强极易着色；处理电压较低,耗电少；处理过程不必改变电压周期, 有利于连续生产和实践操作自动化；硫酸对人身的危害较铬酸小, 货源广, 价格低等优点。近十年来, 我国的建筑业逐步使用铝门窗及其它装饰铝材, 它们的表面处理生产线都是采用这种方法。

铝及铝合金阳极氧化法综述

近十年来，我国的铝氧化着色工艺技术发展较快，很多工厂已采用了新的工艺技术，并且在实际生产中积累了丰富的经验。已经成熟和正在发展的铝及其合金阳极氧化工艺方法很多，可以根据实际生产需要，从中选取合适的工艺。

在选取氧化工艺之前，应对铝或铝合金材质情况有所了解，因为，材料质量的优劣、所含成份的不同，是会直接影响到铝制品阳极氧化后的质量的。关于这一点，洪九德、范济同志已有专门论述(参看《电镀与涂饰》1982年第2期P.27)。比如，铝材表面如有气泡、划痕、起皮、粗糙等缺陷，经阳极氧化后，所有疵病依然会显露出来。而合金成份，对阳极氧化后的表面外观，也产生直接的影响。比如，含1～2%锰的铝合金，氧化后呈棕蓝色，随铝材中含锰量的增加，氧化后的表面色泽从棕蓝色到深棕色转化。含硅0.6～1.5%的铝合金，氧化后呈灰色，含硅3～6%时，呈白灰色。含锌的呈乳浊色，含铬的呈金黄至灰色的不均匀色调，含镍的呈淡黄色。一般而言，只有含镁和含钛量大于5%的铝含金，经氧化后可以得到无色透明且光亮、光洁的外观。

在选择好铝及铝合金材料后，自然就要考虑到选取合适的阳极氧化工艺。目前，我国广泛应用的硫酸氧化法、草酸氧化法及铬酸氧化法，均在手册、书刊上有过详细的介绍，不必赘述。本文谨就目前在国内正在发展中的一些新工艺，以及国外的一些方法，作扼要的介绍。

一、国内已发展的新工艺

(一)草酸-甲酸混合液交流快速氧化

采用草酸-甲酸混合液，是因为考虑到甲酸是一种强氧化剂，在这样的槽液中，甲

酸起到对氧化膜内层(阻挡层和障壁层)加速溶解，从而使成为多孔层(即氧化膜外层)的作用。这种槽液的导电率可以得到提高(即可提高电流密度)，使氧化膜能快速生成。与纯草酸氧化法相比，这种溶液能使生产率提高37.5%，减少电耗量(草酸氧化法耗电量为3.32度/平方米，此法为2度/平方米)，节约电力40%。

工艺配方为:草酸4～5%、甲酸0.55%，三相交流44士2伏，电流密度2～2.5A/d ㎡，温度30±2℃。

(二)混合酸氧化

此法于1976年正式纳入日本国家标准，并为日本北星日轻家庭用品株式会社所采用。其特点是成膜快，膜的硬度、耐磨、耐腐蚀性能都比普通的硫酸氧化法高，膜层呈银白色，适用于印花、着色产品。我国铝制品行业赴日考察后，于1979年开始推荐使用。其推荐工艺配方为:H2SO4 10～20%，COOHCOOH·2H2O 1～2%，电压10～20V，电流密度1～3A/d㎡，温度15～30℃，时间30分钟。

(三)瓷质氧化

瓷质氧化主要以铬酸、硼酸、草酸钛钾为电解质，用高电压和较高温度作电解处理。其膜层外观像瓷器上的釉，有高度的抗腐蚀性能，耐磨性能良好，膜层可用有机或无机的染料染色，使外观有特殊的光泽和色泽。目前多应用于铝炊具、打火机、金笔等产品上，很受群众喜爱。

(四)国防色氧化

国防色氧化主要应用在军用铝制品的装饰上，因而要求有特殊的防护作用。氧化膜呈军绿色、无光泽、耐磨耐用，防护性能良好。工艺是:首先进行草酸氧化，生成金黄色膜层后，再用高锰酸钾20g/l、H2SO41g/l的溶液进行阳极氧化处理而成。沈阳铝制品厂曾应用此工艺生产军用水壶及炊具用品。

(五)多色氧化

将已染色而未封闭的阳极氧化层，用铬酸或草酸润湿，使CrO3铺展，已染色的制品的部份表面在被CrO3润湿后褪色，按需要在任意部份用水将草酸或铬酸洗去，一般可以停止与图象反应。然后再染第二次色或反复进行CrO3揩拭、冲水、染色等程序，就可以根据需要出现花朵、云彩等图案。目前多应用在金杯、水杯、茶盒、打火机等产品。

(六)大理石花纹染色工艺

把氧化后的制品先染第一道底色后，经干燥，再浸入表面浮有油脂的水中，再提起或浸入时，油脂和水分别自然流挂，使膜层呈不规则的条纹状的油脂所沾污。当再染第二道色时，氧化膜受油脂沾污处就染不上色，没有油脂的部位则染上第二种色调，形成如大理石花纹状的不规则图案。此法可见诸广东国营阳江小刀厂周守禹同志的文章(《电镀与涂饰》1982年第2期)。

(七)化学蚀刻氧化

铝制品经机械抛光及脱脂后，涂复掩蔽剂或感光，干燥后进行化学刻蚀(氟化物或铁盐类的浸蚀剂)，形成凹凸图案。再经电化学抛光及阳极氧化，呈现出主体感很强的表面图案，能与不锈钢的表面外观相媲美。现多应用于金笔、茶盒及屏风等。

(八)常温快速阳极氧化

通常H2SO4氧化均需用降温设备，因而耗费大量电力。加入α-羟基丙酸、丙三醇后，能抑制氧化膜的溶解，从而可在常温下进行氧化。与普通的硫酸氧化法相比，膜层厚度可提高2倍。推荐的工艺配方为:

H2SO4150～160g/l