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铝合金型材直流电硫酸阳极氧化介绍

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。
σ= Kit
式中σ为阳极氧化膜厚度(μm),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γ=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 = 1.57η/γ
式中η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、0.25,中国、俄罗斯取0.25。

3、影响氧化膜生长和质量的因素

当电解液的温度从 20度上升到30度,膜的溶解速度约增加3倍。随电流密度的增加,制品被养护的金属量、表面生成的铝氧化膜厚度都随着增加。硫酸浓度对氧化膜厚度的影响不大,为获得中等厚度、多孔而易于着色和封闭、抗蚀性较高的膜层,浓度最好为15%-20%;溶液用去离子水要求氯离子<15mg/L、铁离子<1mg/L、硫酸根离子<30mg/L,电阻率为5×10的5-6次方Ω·cm;溶液中杂质允许的最大含量铝离子 20g/L,铜离子 2g/L,铁离子 5g/L,氯离子 0.1g/L。随着阳极氧化时间的延长,氧化膜的厚度增加,到一定厚度后,由于膜厚电阻增加、导电能力下降,膜的生长速度减慢,有的合金即使延长氧化时间,膜的厚度也不会再增加。不同的铝合金的阳极氧化膜有不同的色彩,纯铝上的膜无色透明,使金属的光泽完全保持下来;高纯铝添加少量的镁,膜色不会因氧化时间的延长而改变,当镁的含量超过2%,膜变暗浊色;铝硅合金阳极氧化时,硅不会被氧化或溶解,部分进入膜层使膜呈暗灰色。含硅量大时,阳极氧化前先用氢氟酸浸泡,膜色会有所好转,一般含硅5%以上的合金不适合做光亮着色制品,含量达13%就难于进行阳极化处理;含铜的合金,当含量较少时,膜呈绿色,随铜含量的增加,膜薄,色调深暗。某些变形铝合金的阳极氧化处理见表-6。铝合金在硫酸溶液中阳极氧化,由于氧化膜在表面上形成、生长和溶解,引起电阻的变化,使过程中的电流、槽端电压及电流密度都随之发生变化。实际操作中电压升高不宜太快,否则会使生成的膜不均匀。

表-某些铝合金阳极氧化处理效果

中国合金牌号
主要成分含量%
适用于保护性阳极氧化
适用于阳极氧化着色
适用于光亮阳极氧化
LG5
L3
L5
LF21
LF2
LF3
LF5
LF7
LD31
LY11
LY12
LD8
LD2
LD5
LT1
99.99Al
99.8Al
99.5Al
99.0Al
1.25Mn
2.25Mg
3.5Mg
5Mg
7Mg
0.5Mg、0.5Si
1Si、0.7Mg
1.5Cu、1Si、1Mg
2Cu、1Ni、0.9Mg、0.8Si
4.25Cu、0.625Mn、0.625Mg
4.25Cu、0.75Si、0.75Mn、0.5Mg
4Cu、2Ni、1.5Mg
2.25Cu、1.5Mg、1.25Ni
1Mg、0.625Si、0.25Cu、0.25Cr
1Si、0.625Mg、0.5Mn
5Si
1
1
1
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
4
2
2
3
2
2
3
3
3
4
4
4
4
1
2
3
2
3
4
3
3
4
4
6
5
4
6
5
4
6
5
4
4
5
4
4
5
2
3
4
3
3
4
3
6
5

注:1—优良;2—良好;3—尚好;4—可以;5—不适合;6—只适合于暗的颜色。

4、建筑铝型材阳极氧化工艺

建筑铝材是目前阳极氧化处理的主要产品,其中75%-85%是用常规硫酸法处理。中国建筑型材标准规定氧化膜的厚度大于10μm。建筑铝材阳极氧化工艺的最佳工艺参数为电解液硫酸15%±2%,铝离子含量小于5g/L,溶液温度21±10C,电流密度(1.3±0.05)A/dm2,时间(对LD31合金)30min,则10μm;60分钟,则可达18μm(电压18V),溶液用纯水配制。

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