铝及铝合金材料表面氧化膜原理研究
实验二-铝及铝合金的阳极氧化
实验二铝及铝合金的阳极氧化一、实验目的：1.熟悉铝及铝合金的阳极氧化工艺过程。
2.掌握阳极氧化中各工艺参数对阳极化过程及膜质量和性能的影响。
二、实验内容简介铝及铝合金具有优良的综合性能而得到较为广泛的应用，在其表面会生成一层致密的氧化膜，但厚度只有几纳米至几十纳米，起不到有效的防护和耐磨作用。
而采用阳极氧化处理形成的阳极化膜厚度可达3~30μm，不但既有良好的机械性能，而且耐蚀性和吸附性能均十分优异。
故在所有的铝表面处理方法中，阳极化在工业中的应用十分广泛，可作为防护性膜、防护装饰性膜、耐磨性膜、绝缘性膜等。
阳极氧化所用的电解液一般为具有中等溶解能力的酸性溶液（如硫酸、草酸、铬酸、磷酸等），电解时，铝工件为阳极，Pb(Pt)为阴极，阳极氧化时发生下列反应：阳极:H2O-2e→[O]+2H+,产生的初生态原子氧对铝制品表面有很强的氧化能力,生成薄而致密的氧化物薄膜（10~100nm）；阴极：2H++2e→H2↑。
在阳极还存在着酸对铝及氧化铝膜的溶解反应：2AL+6H+→2AL3++3H2↑,AL2O3+6H+→2AL3++3H2O。
由此可知，膜的成长过程包含着膜的生成与膜的溶解两个相辅相成的方面，并且只有当膜的生成速度大于溶解速度时才能获得一定厚度的膜，氧化初期，膜的生成速度大于溶解速度，膜厚不断增加，随着厚度的增加，其电阻也加大，结果使膜的生长速度减慢，一直到与膜的溶解速度相等时，膜的厚度才为一定值。
铝的阳极氧化膜的微观结构成蜂窝状，即由内层的阻挡层和外层的多孔层构成，由于膜是从基体上成长其来的，因此结合强度十分高。
色泽随电解液的成分及铝合金中所含的合金元素而异。
由于膜的多孔性质，决定了膜具有强烈的吸附性能，故可对膜进行染色，也可作为铝制品沉积金属前的底层等。
2．铝的阳极氧化工艺及步骤a.表面准备铝及其合金在阳极氧化之前都必须根据制件的材质、表面形状和对膜的要求进行适当的表面预处理，如除油、酸洗和抛光等。
铝及铝合金硬质阳极氧化膜
铝及铝合金硬质阳极氧化膜铝及铝合金硬质阳极氧化膜是一种常见的表面处理技术，用于增强铝材料的耐腐蚀性、硬度和装饰性。
本文将介绍铝及铝合金硬质阳极氧化膜的形成原理、特点及应用领域。
一、形成原理铝及铝合金硬质阳极氧化膜的形成是通过在铝表面进行阳极氧化处理。
在这个过程中，铝材料作为阳极，通过在电解液中施加电压形成氧化电流，使铝表面氧化生成致密的氧化膜。
阳极氧化过程中，铝表面的氧化膜主要由Al2O3组成。
氧化膜具有多孔性结构，可以通过控制氧化工艺参数来调节其孔径和厚度。
氧化膜的孔径与电解液中含有的添加剂有关，而氧化膜的厚度则与氧化时间和电压有关。
二、特点铝及铝合金硬质阳极氧化膜具有以下特点：1. 耐腐蚀性：硬质阳极氧化膜形成后，能有效提高铝材料的耐腐蚀性，使其在恶劣环境下具有更好的耐蚀性能。
2. 高硬度：氧化膜的硬度可达到1500-3000HV，比铝材料本身的硬度要高出数倍，能有效提高铝材料的抗划伤性能。
3. 装饰性：氧化膜的颜色可以通过改变氧化工艺参数和添加特定的染色剂来调节，因此可以获得不同的颜色，增加铝材料的装饰性。
4. 绝缘性：氧化膜具有较好的绝缘性能，能够有效防止电流的通过，提高铝材料在电气领域的应用性能。
5. 纳米级孔隙结构：氧化膜具有多孔性结构，这些纳米级孔隙可以用于储存润滑油或其他功能性材料，提高铝材料的附加功能。
三、应用领域铝及铝合金硬质阳极氧化膜广泛应用于以下领域：1. 建筑装饰：铝材料经过阳极氧化后，可以获得不同颜色的氧化膜，用于建筑装饰材料，如铝合金门窗、幕墙板材等。
2. 电子领域：氧化膜的绝缘性能使其在电子领域得到广泛应用，用于电子元器件的绝缘层、散热器、电子外壳等。
3. 汽车工业：铝及铝合金硬质阳极氧化膜可以提高汽车零部件的耐腐蚀性和硬度，用于汽车外饰件、发动机零部件等。
4. 航空航天：氧化膜的轻质、高硬度和抗腐蚀性能使其在航空航天领域得到应用，用于飞机结构件、发动机零部件等。
6061铝合金氧化处理
6061铝合金氧化处理引言：6061铝合金是一种常用的铝合金材料，具有优良的机械性能和耐腐蚀性能。
然而，在某些特定的应用场景下，为了进一步提高铝合金的表面性能和装饰效果，常常需要对其进行氧化处理。
本文将对6061铝合金氧化处理的原理、方法和应用进行详细的介绍。
一、氧化处理的原理6061铝合金的氧化处理是指通过在铝合金表面形成一层致密的氧化膜，从而提高其表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性能的过程。
氧化膜主要由氧化铝组成，其硬度和耐腐蚀性能远远优于铝基体。
氧化处理的原理是在酸性电解液中施加电压，使铝合金表面产生阳极氧化反应，形成氧化膜。
二、氧化处理的方法1. 阳极氧化法：将6061铝合金作为阳极，置于含有硫酸、草酸或硫酸铬的电解液中，通以直流电流，通过阳极氧化反应形成氧化膜。
阳极氧化法适用于大面积铝合金件的氧化处理，可以快速形成均匀的氧化膜，并且可以根据需要调节氧化膜的厚度。
2. 化学氧化法：通过在铝合金表面涂覆一层含有化学氧化剂的溶液，使溶液中的氧化剂与铝合金发生化学反应，形成氧化膜。
化学氧化法可以在室温下进行，对铝合金的变形和尺寸变化较小，适用于形状复杂或尺寸较小的铝合金件。
三、氧化处理的应用1. 提高耐腐蚀性能：氧化膜具有良好的耐腐蚀性能，可以保护铝合金表面免受腐蚀介质的侵蚀，延长铝合金的使用寿命。
因此，氧化处理广泛应用于航空、汽车、电子等领域，用于制造耐腐蚀要求较高的零件和设备。
2. 改善装饰效果：氧化膜的颜色可以通过在氧化过程中加入不同的颜料或调整氧化时间和温度来控制。
这使得氧化处理成为一种常用的表面处理方法，可以用于制造具有装饰性要求的产品，如摩托车零件、电子产品外壳等。
3. 提高涂装性能：氧化膜具有一定的粗糙度和孔隙度，可以增加涂层与基材之间的附着力，提高涂装性能。
因此，在涂装前对6061铝合金进行氧化处理可以提高涂层的耐久性和附着力。
结论：6061铝合金氧化处理是一种常用的表面处理方法，可以提高铝合金的耐腐蚀性能、装饰效果和涂装性能。
铝合金氧化膜的工作原理
铝合金氧化膜的工作原理铝合金氧化膜是通过在铝合金表面形成的一层氧化膜来起到保护作用的。
它不仅能提高铝合金的抗腐蚀性能，还能增加其硬度、电绝缘性能和装饰性能。
铝合金氧化膜的工作原理主要包括以下几个方面。
首先，铝合金氧化膜的形成是通过在铝合金表面进行阳极氧化处理而实现的。
在阳极氧化过程中，将铝合金作为阳极，通过电解液中的氧化剂释放出氧气，使其与阳极表面的铝发生反应，从而形成氧化膜。
这种氧化膜主要由Al2O3组成，具有良好的耐腐蚀性和物理性能。
其次，氧化膜的形成过程中存在着一个净化作用。
阳极氧化过程中，氧化剂中的氧气与铝发生反应后，会释放出大量的氢气。
这些氢气通过氧化膜的孔隙和铝孔隙扩散到氧化膜和铝合金的表面上，将表面的杂质和气泡排出。
这就使氧化膜具有了较高的纯度，减少了杂质对电化学性能的影响。
其三，氧化膜使铝合金表面具有了一定的绝缘性能和耐磨性能。
氧化膜的物理性质决定了其具有一定的电绝缘性，可以防止铝合金表面和周围介质之间的电流通路。
此外，氧化膜的硬度较高，可以提高铝合金的抗磨性，增加其使用寿命。
第四，氧化膜还可以作为一种装饰性膜。
氧化膜的颜色可以根据阳极氧化的工艺条件和材料成分来调控，可以呈现出不同的颜色，如黑色、红色、金色等。
这使得铝合金可以在外观上满足不同的需求，增加了其在建筑、装饰等领域的应用。
最后，铝合金氧化膜的工作原理还涉及到氧化膜与铝基体之间的连接。
氧化膜不仅仅是简单地附着在铝合金表面上，而是与铝基体之间形成了一层覆盖度较好的结合层。
这种结合层是通过氧化膜形成的阻隔层中的铝孔隙与铝基体之间存在着良好的结合力而实现的。
这种结合层的形成可以加强氧化膜与铝基体之间的结合，增加氧化膜的附着力和耐久性。
综上所述，铝合金氧化膜的工作原理主要是通过阳极氧化处理，在铝合金表面形成一层氧化膜，从而提高铝合金的抗腐蚀性能、硬度、电绝缘性能和装饰性能。
该氧化膜的工作原理涉及到净化作用、绝缘性能、耐磨性能、装饰性能以及与铝基体之间的结合作用。
铝和铝合金的大气腐蚀机理
1铝和铝合金的大气腐蚀机理铝和铝合金的表面氧化膜是铝合金具有耐大气腐蚀性的主要原因.铝的氧化膜γ-Al2O3在室温的大气中就可以生成,而且非常迅速和致密,厚度为25~30Å.也就是说,氧化膜在大气环境中具有自修复功能.若有水存在或者暴露在大气中几个月以后,最初形成的γ-Al2O3的外层转变为一薄层γ-AlOOH.然后,在γ-AlOOH上又会覆盖上一层AlOH3也可写成Al2O3·3H2O.从铝-水体系的电位-pH图可知,AlOH3在较大的pH范围内都会保持稳定.AlOH3从pH=4开始溶解;当pH=2.4时,认为AlOH3会完全溶解事实上,即使pH=2.0时,铝表面的腐蚀类型仍然是孔蚀..大部分的降雨、差不多所有的雾、表面蒸发浓缩的液层和铝表面小孔内的电解质都会使铝处于腐蚀状态.环境因素对铝的大气腐蚀的影响和其它金属相似,与环境大气的相对湿度、温度、大气中SO2的浓度、Cl-的含量以及降水的数量、酸度相关性较大,同时也受到O3,NOx及CO2等污染组分的轻微影响.大气污染物通过干湿沉降,使得金属表面存在着和大气中同样丰富的化学组分.暴露在大气中的铝合金表面可分为三层:铝合金及其氧化膜、腐蚀产物层和大气污染物形成的污染层或薄液膜.根据大气化学组分对铝和铝合金化学、电化学反应的不同及形成的腐蚀产物的性质不同,存在着不同的腐蚀机制.１.氯离子的存在是引起铝和铝合金大气腐蚀的重要原因.由于铝的氯化物具有可溶性,在户外暴露的铝表面上并没有大量的氯化物层存在,只有少量的氯离子进入到腐蚀产物层.Cl-通过竟争吸附,逐渐取代AlOH3表面上的OH-生成AlCl3,如方程式1~3所示:AlOH3+Cl-→AlOH2Cl+OH- 1AlOH2Cl+Cl-→AlOHCl2+OH- 2AlOHCl2+Cl-→AlCl3+OH- 3２.空气中的CO2能有效地阻碍NaCl引发的铝的大气腐蚀.铝在不含CO2潮湿空气中的腐蚀速率,和在正常CO2水平的空气中的腐蚀速率相比,约是后者的20倍.有人认为,CO2中和了在铝表面阴极区氧还原产生的氢氧根离子,降低了液层pH值,从而使得铝的溶解速率下降.３.一般认为:O3是潜在的加速剂,通过氧化H2S、SO2和NOx而影响金属的大气腐蚀.O3还能够通过自身的去极化反应,引起铝腐蚀.实验表明,铝暴露在不同大气污染物10ppm的SO2,NOx,O3,取样大气的气体25e和98%相对湿度四个星期以后,O3引起的腐蚀失重最大,其次是SO2,NO2,取样大气,NO.氧化膜的完整性及成分还受到铝合金的化学组分和微观结构的影响.为了提高铝合金的力学性能,往往要加入一些合金元素,并进行一定的热处理固溶、淬火、时效等.一些杂质元素如Fe、Mn、Si也常以FeAl3、AAlMnSi、SiO2等形式出现在铝合金当中.这些合金元素对铝合金微观结构的影响是不同的,要根据它们是存在于固溶体中,还是作为第二相分散在铝基体或者偏聚在晶界上.当合金元素形成的化合物颗粒存在于金属表面时,它们表面的氧化膜往往很薄,甚至不存在.传统的铝和铝合金大气腐蚀试验传统的大气腐蚀一般通过大气暴露实验、室内模拟加速试验进行研究.大气暴露试验能够反应材料在自然环境中的实际腐蚀情况,所得数据直观、可靠,虽然试验周期长、速度慢、费用高,但它是铝和铝合金大气腐蚀研究的重要方法.室内模拟加速试验可以显著减少试验时间,快速地对材料的大气腐蚀行为进行评价和预测,不能完全地取代大气暴露试验.铝合金的腐蚀速率表征既采用普遍使用的年失重量多少,也使用孔蚀坑的深度及数量分布和力学性能抗拉强度、屈服强度损失量.观察腐蚀形貌和分析腐蚀产物时,使用一些物理化学分析手段,如光学微镜、扫描电镜、X射线衍射分析、X射线光电子能谱等.室内模拟加速试验常见的大气腐蚀的室内加速试验有湿热试验、盐雾试验、干湿周浸循环试验以及多因子复合试验,一般认为干湿交替的周浸循环试验比较能够反映大气腐蚀的特点.干湿交替的周浸循环试验的最初提出是为了评价耐候钢的性能,适用于有钝化膜的金属及合金.这种研究方法从电化学的角度来说,也是合理的.对于铝合金,可以采用此方法进行大气腐蚀试验,评价铝合金的耐蚀性.采用pH=3.0的5%NaCl+015%NH42SO4用醋酸调节pH值作加速剂,对LY12和LC4两种高强铝合金进行了间歇盐雾和周期轮浸腐蚀试验,与广州,琼海十年的实地暴露试验结果对比.他认为两种铝合金加速方法之间有类似的腐蚀动力学规律,其中前者相对于大气腐蚀有较好的模拟性和加速性.也有人采用简易方法模拟湿热大气腐蚀试验,在工业纯铝ZL10和ZL109合金表面诱发腐蚀,观察和分析了铸铝合金中第二相和腐蚀产物的微观形貌及化学成分.在吸附了水分和侵蚀性氯离子微观孔隙周围,由第二相粒子和铝基体构成腐蚀微电池发生电化学反应,电位较负的铝首先发生溶解,导致局部点状腐蚀,腐蚀产物主要为铝的不溶性氢氧化物,还含有少量的氧化铝等.用室内加速试验评价结构铝合金的耐大气腐蚀性时,除测量失重和孔蚀深度外,应包括金相分析和力学试验.室内模拟加速试验从单因子控制到多因子控制,从简单的电位测量到交流阻抗技术等多种测量技术的应用,在过去的几十年里得到一定程度的发展.但是在大气腐蚀机理研究和准确地重现大气暴露试验结果方面,仍有较大的差距.室内模拟加速试验的重复性还需要提高.一部分研究者做了室内气体腐蚀试验,通过对一种或几种腐蚀性气体组分浓度、相对湿度、温度及暴露时间条件控制,观察金属的腐蚀并通过多种手段分析腐蚀产物,给出腐蚀过程的动力学规律和腐蚀机理.不过,这些实验仅仅局限于纯铝材料,研究工作处于起步阶段.Oesch用气体试验箱分析了各腐蚀性气体成分对纯铝大气腐蚀的影响.他认为臭氧对铝的大气腐蚀的影响要强于SO2和NO2.Bl cher通过控制空气中CO2的浓度,研究了CO2阻碍NaCl引发铝的大气腐蚀机制.综上所述,传统的大气腐蚀试验得到的数据是一段时间内金属的宏观的、统计的腐蚀行为和规律,对大气腐蚀过程中的关键反应和中间过程缺乏清楚的描述.随着仪器制造技术的进步,人们越来越趋向于对金属的大气腐蚀过程进行连续、原位的研究,从微观上,甚至于原子尺度上认识其腐蚀规律.实验结论1微合金化后的耐腐蚀性与合金中各相的电极电位有很大的关系.若基体相为阴极相,第二相为阳极相,合金一般有较高的耐蚀性;反之,若基体相为阳极相,第二相为阴极相,则第二相数量越多,电位越高,合金腐蚀越严重.2 Al-7%Si合金的腐蚀从硅相及晶间处优先开始,以点蚀为主.加入Cu元素,实验合金有明显的晶间腐蚀倾向.其它元素影响相对较小.3电化学实验结果表明,所有实验合金均较快进入钝态,随着各合金元素的加入,实验合金的自腐蚀电位向负向移动,腐蚀电流密度增加.合金元素和杂质元素的影响合金元素对铝和铝合金耐蚀性的影响是一个复杂的问题;因为这不仅与合金元素的电极电位电化学序有关,还与合金元素的存在形式固溶体还是析出的金属间化合物相、合金元素的加入量等诸多因素有关;锰锰在铝合金中主要以MnAl6相存在而MnAl6相和铝有着相同的自然电极电位,几乎没有电位差,少量的锰往往还会提高合金的耐蚀性;因为能生成MnFeAl6,从而部分消除含铁的强阴极性相如AlSi2Fe等,从而增强了耐蚀性;所以Al-Mn合金是重要的防锈铝合金之一;锌锌在 0.2％以下时,对铝合金耐蚀性的影响不大;当锌作为某些高强铝合金的添加元素时,其析出的金属间化合物仍然可能成为铝的阴极,但其对耐蚀性的影响小于铜、铁、镍等阴极性元素;铜铜以各种不同的含量存在于许多高强铝合金中,它还可能在工业铝及其合金中以杂质出现;铜对铝来说是强阴极性元素电极电位正得多,所以,即使铜的含量不多,也可对铝及其合金的耐蚀性产生严重的影响;如当含有0.1％铜时,高纯铝的腐蚀速度提高了1600倍,要提高耐蚀性,铜的含量必须严格控制;铁铁是铝合金中常有的杂质,并对合金的耐蚀性有相当大的影响,其作用仅次于铜;铁对铝来说,也是强阴极性元素;铁在铝中的溶解度十分小,在温度500℃时也仅为0.005％,过剩的铁往往生成阴极性相FeAl3,对铝形成微电偶腐蚀;硅硅对铝耐蚀性的影响在不同铝合金中是不同的;在Al-Si铸造铝合金中,过量的硅以片状存在于合金中,它对铝起阴极性相的作用,对耐蚀是有害的;在合金含有铁时,硅可能会进入FeAl3金属间化合物,起强阴极性相作用,对耐蚀性影响很大;而对于可热处理的Al-Mg-Si合金,时效后生成Mg2Si相,这种化合物的出现对合金耐蚀性影响不大;所以,对于铝和铝合金,单独的硅不如硅和铁同时存在时的有害作用大;镍镍广泛用于可热处理强化铝合金的合金元素,它对铝合金耐蚀性的有害影响小于铜和铁;钛钛在铝合金中的含量很小,它对耐蚀性的影响也不大;有报导,含钛0.007％~0.008％时会对超纯铝在碱中的耐蚀性不利;而在某些酸中,0.16％~0.37％钛的加入对工业纯铝耐蚀性会产生有利影响,而钛对铝在氯化钠溶液中耐蚀性的影响却很小;。
铝及铝合金阳极氧化
铝及铝合金阳极氧化一片绿叶编写0 内容提示本文简要介绍了铝及铝合金阳极氧化的原理和阳极氧化方法的种类，着重介绍硫酸直流电阳极氧化。
对硫酸阳极氧化的工艺规范和操作条件、溶液配制和调整方法、常见估障判断及排除等作了较为详细的介绍。
铝合金成分对氧化膜形成及质量的影响、新老涂覆标记的含义等相关内容也结合我所实际情况作了介绍。
通过对本文内容的学习，能够正确掌握硫酸直流电阳极氧化的操作技能，准确控制氧化质量，做出符合质量标准的产品。
1 概述铝是最为丰富的元素之一，地壳内含量仅次于氧和硅。
铝的产量仅次于钢铁。
铝及其合金具有比强度高、导热和导电性好，反光性强，色泽美观、无磁性、耐热性好，以及塑性和成形性好，无低温脆性等优点，是一种具有优良综合性能的有色金属材料，因此在许多部门得到广泛应用。
铝及铝合金暴露在空气中，其表面会自然行成一层致密的氧化膜，但这层氧化膜的厚度极薄，只有几纳米到几十纳米，不足以防止恶劣环境下的腐蚀，同时，铝的硬度也不高，在使用过程中不能防止磨擦而造成的破坏。
因此，铝及铝合金制品需要针对其不同用途采取不同的保护措施。
对铝和铝合金进行阳极氧化就是一种十分有效的方法。
通过阳极氧化可以获得5～30μm厚的人工氧化膜(在一些特殊条件下氧化膜的厚度可以达到100μm以上)，从而可显著提高铝及铝合金的各种性能，包括耐蚀性、耐磨性、耐候性、绝缘性及吸附性等。
2 铝阳极氧化膜形成的基本原理铝阳极氧化实际上就是水的电解。
电解液通电后在电流的作用下发生水解，在阴极上放出氢，即H++e 1/2H2↑在阳极上释放电子，即4HO—－4e 2H2O+2O↑其中一部分新生(原子)氧与铝(阳极)反应，生成氧化铝膜，2Al3++3O22—Al2O3+热量。
＋－产生氧气形成Al2O3 释放氢气H2↑并产生热量阳极阴极电解液图1 铝阳极氧化示意图在不同的处理条件下，阳极上可能发生如下几种情况：a 阳极上的生成物是可溶的，即边生成边溶解，这可理解为不能在阳极上生成氧化膜。
铝及铝合金的电化学氧化
铝及铝合金的电化学氧化(导电氧化):在电解质溶液中,具有导电表面的制件置于阳极,在外电流的作用下,在制作表面形成氧化膜的过程称为阳极氧化,所产生的膜为阳极氧化膜或电化学转化膜.电化学氧化膜与天然氧化膜不同,氧化膜为堆积细胞结构,每个细胞为一个六角柱体,其顶端为一个圆弧形且具六角星形的细孔截断面.氧化膜有两层结构.靠近基体金属的是一层致密且薄,厚度为0.01~0.05μm的纯AL2O3膜,硬度高,此层即为阻挡层;外层为多孔氧化膜层,由带结晶水的AL2O3组成,硬度较低.电化学氧化按电解液的主要成分可分为:硫酸阳极氧化,草酸阳极氧化,铬酸阳极氧化;按氧化膜的功能可分为:耐磨膜层,耐腐蚀膜层,胶接膜层,绝缘膜层,瓷质膜层及装饰氧化.另外铝的表面处理可以用电镀的方式,提高硬度先镀底铜再镀硬铬,装饰可以镀装饰铬,另外阳极氧化也可进行着色处理《材料工程丛书-表面处理手册》1 氧化染色原理众所周知，阳极氧化膜是由大量垂直于金属表面的六边形晶胞组成，每个晶胞中心有一个膜孔，并具有极强的吸附力，当氧化过的铝制品浸入染料溶液中，染料分子通过扩散作用进入氧化膜的膜孔中，同时与氧化膜形成难以分离的共价键和离子键。
这种键结合是可逆的，在一定条件下会发生解吸附作用。
因此，染色之后，必须经过封孔处理，将染料固定在膜孔中，同进增加氧化膜的耐蚀、耐磨等性能。
2 阳极氧化工艺对染色的影响在氧化染色整个流程中，因为氧化工艺原因造成染色不良是比较普遍的。
氧化膜的膜厚和孔隙均匀一致是染色时获得均匀一致颜色的前提和基础，为获得均匀一致的氧化膜，保证足够的循环量，冷却量，保证良好的导电性是举足轻重的，此外就是氧化工艺的稳定性。
硫酸浓度，控制在180—200g／l。
稍高的硫酸浓度可促进氧化膜的溶解反应加快，利于孔隙的扩张，更易于染色；铝离子浓度，控制在5—15 g／l。
铝离子小于5g／l，生成的氧化膜吸附能力降低，影响上色速度，铝离子大于15g／l时，氧化膜的均匀性受到影响，容易出现不规则的膜层。
铝阳极氧化及阳极氧化膜基础
铝制电子产品的表面处理
总结词
铝制电子产品如手机、平板电脑等的外 壳，通常采用阳极氧化技术进行表面处 理，以提高产品的防护性能和外观质感 。
VS
详细描述
铝制电子产品外壳需要具备防滑、耐磨、 防指纹等特性，同时还要满足轻量化、美 观化的要求。阳极氧化膜不仅具有优异的 防护性能，还能增强外壳的硬度和抗冲击 能力，提高产品的可靠性和用户体验。
铝制家具的表面处理
总结词
铝制家具的表面处理中，阳极氧化技术被广泛应用，以提高家具的耐候性和抗腐蚀能力。
详细描述
铝制家具如桌子、椅子、床架等，在日常使用中需要承受摩擦和撞击。阳极氧化膜能够有效 地保护铝材，防止氧化腐蚀和变色，同时还能增强家具的抗刮擦和抗冲击能力，延长使用寿 命。此外，阳极氧化膜还能为家具带来独特的外观和质感，提升整体的美观度和价值感。
由于其高绝缘性，阳极氧化膜能够承受较高的电压，不易发生电击穿或电火花现 象。
阳极氧化膜的耐腐蚀性能
耐腐蚀性
阳极氧化膜能够有效地保护铝材免受大气和各种化学介质的 腐蚀。这主要归功于其致密的氧化铝层，能够阻挡外部环境 中的水分、氧气和化学物质与铝基体接触。
耐候性
阳极氧化膜具有良好的耐候性，即使在恶劣的环境条件下， 如高温、高湿、盐雾等，仍能保持稳定的性能和外观。
汽车行业
用于制造汽车零部件，如发动机 罩、车门、保险杠等，可以提高 零部件的耐腐蚀性和美观性。
航空航天行业
用于制造飞机零部件和卫星结 构件等，具有高强度、轻质、 耐腐蚀等特点。
电子行业
用于制造电子元件和电路板等 ，具有绝缘、防潮、防震等特
点。
02 铝阳极氧化原理
铝的阳极氧化过程
铝的阳极氧化是铝在 电解液中失去电子， 发生氧化反应的过程。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铝及铝合金材料表面氧化膜原理研究
1铝及铝合金化学氧化膜成膜原理 (1)
1.1铝及铝合金表面的化学氧化理论 (1)
1.2铝及铝合金化学氧化原理 (1)
2 铝及铝合金传统含铬导电氧化膜 (2)
2.1传统导电氧化膜工艺 (2)
2.2导电氧化液中各因素的作用 (3)
3导电氧化液中含铬酸盐的替代 (4)
1铝及铝合金化学氧化膜成膜原理
1.1铝及铝合金表面的化学氧化理论
化学氧化处理是在一定温度下，金属铝和氧化溶液发生化学反应，在表面生成不溶性氧化膜的工艺。
一般形成氧化膜必须具备两个条件:一是在溶液中含有使铝表面生成氧化膜的氧化剂；二是在溶液中含有活化剂，使铝表面在氧化成膜过程中，不断地被溶解，在氧化膜中形成孔隙，保证氧化膜不断地成长、增厚。
氧化膜的形成包括下列三个历程：
1）表面金属溶解到处理液中；
2）溶解产物在处理液中同化学氧化所用的介质发生反应，生成某种中间产物；3）氧化物从过饱和溶液中结晶析出，沉积于金属表面。
1.2铝及铝合金化学氧化原理
铝及铝合金的化学氧化是在一定温度条件下，通过化学作用使清洁的铝合金表面与氧化液中的氧相互作用，形成一层致密的氧化膜的一种涂覆方法。
这种氧化膜具有一定的耐蚀性，通常作为油漆或有机涂层的底层。
化学氧化膜层的颜色随氧化液的组成、操作条件及膜层厚度的变化而变化。
铝及铝合金的化学氧化方法较多，按其溶液性质可分为碱性和酸性两种，按膜层的性质可分为磷酸盐膜、铬酸盐膜以及铬酸-磷酸盐膜、无铬氧化膜等。
从理论上讲，化学氧化存在着金属的溶解和成膜反应，溶解过快膜层不能生成，反之，则膜层疏松。
当膜层达到一定厚度的时候，膜层阻碍金属和溶液的接触，氧化过程自行停止。
除应选择合适的氧化剂和成膜剂之外，为确保氧化膜质量还应加入一些添加剂，有的还加入一些稳定剂。
按功能分氧化液组成主要有两类：其一是氧化剂如重铬酸钾或铬酐、锰酸盐、
钼酸盐等，它是氧化成膜的主要成分，其作用是使铝表面产生氧化物层；其二是活化剂如氟化物、酸、碱等，它使铝表面再氧化成膜的过程中不断受到溶解，在氧化膜中形成空隙，以保证氧化膜不断地成长增厚。
为改善溶液的稳定性和膜层外观，加入一定量的其它添加剂和单组份表面活性剂，用以降低溶液的表面张力，增加溶液对基体材料的润湿性，使膜层更加致密、完整，从而提高耐蚀性。
就其基本的氧化成膜原理而言，所发生的阳极反应为：
3+ + 3e 而阴极反应伴随氢的析出：Al →Al
- + H↑2HO + 2e →2OH22-3+形成氢氧化物，氢氧化物脱水生成不溶性与pH值升高，OHAl随着溶液的AlO,组成了致密的氧化物膜：323+-→Al(OH) ；+3OH Al 32Al(OH) →AlO + 3HO 2233
2 铝及铝合金传统含铬导电氧化膜
2.1传统导电氧化膜工艺
传统含铬化学氧化法又称为铬酸盐法，在铬酸盐的酸性溶液中，氧化膜的生成按下列反应步骤进行:
铝与氟化物作用：2Al + 6HF →2AlF + 3H↑；232-2-2-+；OCr + 2H + 2HO →
2CrOCrO的离解：4772226+3+2-+-；+ OH + 7H Cr的还原和Cr 的氧化物析出：CrO+ 6e →2Cr(OH)372氧化物的生成：2Al(OH) →AlO + 3HO；23232Cr(OH) →CrO + 3HO ；2323因此，所生成的氧化物可能是含有如下组分的非晶态物质：AlO?CrO?6 3322HO 。
2铬酸盐法有时也采用碱性化学氧化，碱性化学氧化所形成的氧化膜含有氧化铝和氧化铬，其反应可用下式表示：
2Al + 2NaCrO →AlO + CrO + 2NaO；24322232Al + NaCO + 3HO →2NaAlO + CO + 3H↑；223222NaAlO + HO →AlOOH + NaOH；22CO + NaOH →NaCO + HO；2232常用的导电氧化工艺有：
（1）磷酸-铬酸盐膜
磷酸（HPO）22 g/L43铬酐（CrO）2～4 g/L3氟化钠（NaF） 5 g/L
硼酸（HBO） 2 g/L 33温度室温时间15～60s
此工艺配方所获膜层无色透明，膜层厚度约为0.3～0.5μm，导电性良好，经喷涂清漆后还具有装饰途。
（2）铬酸盐膜
铬酐（CrO）4～5 g/L3氟化钠（NaF）1～1.2 g/L
铁氰化钾[KFe(CN)] 0.5～0.7 g/L63温度
30～35℃
时间约50s
此工艺配方所获膜层为浅彩虹色，膜层较薄，导电性好，适合于需导电制件的表
面涂覆。
延长时间膜层着色颜色加深，呈褐色，导电性能降低。
化学法溶液中含有氧化剂和活化剂。
氧化剂使铝表面形成铝的转化膜，活化剂使铝表面在成膜的同时不断受到适当的溶解，使转化膜中形成孔隙，以保证转化膜不断增厚。
而成膜速度要大于溶解速度。
磷酸-铬酸盐化学法具体成膜过程: 首先试样表面的铝被离子化，同时产生-反应生成含水的AlO；HH。
铝离子与溶液中OH与铬酸反应生成含水的2322CrO。
另外，铝离子还可与磷酸反应形成磷酸铝；H可与磷酸和铬酸共同反应223
-有助于控制转化膜的溶解。
其主要反应式F形成磷酸铬和水。
溶液中加入的少量如下:
+3 + + 3H (1)2Al + 6H；= 2Al 23+- = AlO (含水) + 3HO + 6OH (2)；2Al2233H + 2CrO = CrO (含水) + 3HO (3)；222333+ + 2HPO = 3H +
2AlPO2Al (4)；42 4 3
3H + 2CrO + 2HPO = 2CrPO + 6HO (5)；232434实际的反应比以上过程还要复杂，因此转化膜的成分很复杂，有AlO(含3 2水) , CrO (含水)，AlPO，CrPO及痕量的氟化物。
424232.2导电氧化液中各因素的作用
针对磷酸-铬酸盐系化学氧化法，分析溶液中各组分的作用如下：
（1）磷酸磷酸是成膜的主要成分，无磷酸不能成膜。
磷酸低于或超过工
艺规范浓度，会导致膜层过薄，抗蚀能力降低。
（2）铬酐铬酐是氧化剂，是成膜的必要成分，若此溶液中无铬酐成分，则溶液的腐蚀性加强，难以成膜，说明铬酐具有缓蚀性。
（3）氟化钠氟化钠是活化剂，膜的生成必须先有铝的溶解，而氟化钠可使铝迅速溶解，加快反应速度。
氟化钠浓度应适宜，过大则溶解加快，生成的膜层呈粉末状，影响强度；过小会使成膜反应难以进行。
（4）硼酸加入硼酸是为了稳定溶液pH值，控制转化反应速度，改善膜层外观质量。
（5）氧化温度主要影响成膜反应的速度，也影响成膜的质量。
温度太高，反应速度过快，膜层的反应速度也相应加快，引起膜层粗糙多孔，粘附力较低，并容易出现粉化，耐蚀性下降；温度低时，膜层不均匀，防腐能力下降。
（6）pH值对氧化成膜有较大的影响。
pH值升高，铝的溶解缓慢，同时使氟离子的活化作用降低，致使成膜困难。
3导电氧化液中含铬酸盐的替代
传统的导电化学氧化膜都采用了含铬的配方，对环境的污染较为严重，因此，人们一直在尝试找到一些物质来代替铬，并取得了一定的成绩。
比如可以用钨酸盐、锰酸盐、钼酸盐、钒酸盐、锰酸盐、锆盐、钛盐等作为成膜氧化剂，来获得铝表面转化膜，经研究发现，这是一种有效的方法。
本实验除考虑上述所提到的试剂之外，也尝试参考磷化的一些原理来实现铝表面转化膜层的生成。
除通常使用的NaF之外，本实验中还会用到很多其它的试剂，为更详细的了解
各种化合物的性质，进而推测其在反应中的作用，故对其相关的性质及在成膜过程中可能起到的作用作一个大致的描述：
（NH)MOO·4HO：Cr、Mo同属第六副族，亚层等价轨道半充满。
在酸224476 性溶液中，Cr具有强氧化性，而Mo的氧化性很弱。
钼酸盐在酸性溶液中有很
2-2-2-在酸MoOCr-O键弱，因而中的Mo-O键比CrO中的MoO强的缩合倾向，4446-4-等。
溶MoMoOO、性溶液中易脱水缩合，形成复杂的多钼酸根离子，如267243液酸性越强，缩合程度越大，最后从强酸溶液中析出水合MoO沉淀。
与铬酸盐3不同，钼酸盐在酸性溶液中的氧化性很弱。
KMnO：在酸性溶液中为强氧化剂，一般作为成膜氧化剂。
4NaZrF：在氧化过程中作用同NaF相似，都可作为成膜促进剂，是不可或62缺的物质。
-在水中其氧化性与溴相似，可与VIB族元素如：SCNCr生成NaSCN3-，在反应中生成各种络合物。
对氧化膜的颜色有很大的影响。
][Cr(NCS)6HSiF：HSiF可由SiF与HF直接生成，资料上只提到其酸性比硫酸更强，6226４其作用于铝的机理目前尚不清楚。
Ce(SO)和SnCl：Ce(SO)可以显著地提高膜层的耐蚀性能, SnCl既能保22432324证良好的膜层外观,又能降低膜层电阻率。