產(chǎn)品開發(fā)工程處陽極技術(shù)部鋁合金陽極氧化原理1整理課件1.概述3.鋁合金的陽極氧化目錄

2.鋁合金根本常識2整理課件1.概述鋁及鋁合金在大氣中會與氧生成氧化膜，由于這種自然氧化膜極薄，耐蝕能力很低，故遠不能滿足工業(yè)上應(yīng)用的需要。為了提高鋁及鋁合金的防護性、裝飾性和其他功能性，大多數(shù)情況下可以采取陽極氧化處理。3整理課件2.鋁合金根本常識1×××系為工業(yè)純鋁〔Al)2×××系為鋁銅合金鋁板〔Al--Cu)3×××系為鋁錳合金鋁板(Al--Mn)4×××系為鋁硅合金鋁板(Al--Si)5×××系為鋁鎂合金鋁板(Al--Mg)6×××系為鋁鎂硅合金鋁板(AL--Mg--Si)7×××系為鋁鋅合金鋁板[AL--Zn--Mg--(Cu)]8×××系為鋁與其他元素常用鋁合金分類4整理課件2.鋁合金根本常識鋁的物理性質(zhì)〔1〕鋁合金的突出特點是密度小、強度高；鋁的密度為2.7g/cm3；〔2〕塑性高：鋁及鋁合金具有優(yōu)良的延展性，可以通過擠壓、軋制成各種形狀的產(chǎn)品；〔3〕導(dǎo)電性好：僅次于金、銀、銅；〔4〕耐腐蝕：易生成氧化膜后具有很好的耐腐蝕性；〔5〕易外表處理：如陽極氧化、電鍍、噴涂、電泳、鐳雕等，提高了鋁的裝飾性和防護效果。5整理課件2.鋁合金根本常識鋁的化學(xué)性質(zhì)〔1〕鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，在枯燥空氣中鋁的外表立即生成約5nm的致密氧化膜，使鋁不會進一步氧化并能耐水；〔2〕鋁的粉末與空氣混合那么極易燃燒，熔融的鋁能與水劇烈的反響，高溫下能將許多金屬氧化物復(fù)原為相應(yīng)的金屬；〔3〕鋁是兩性金屬，既溶于強堿，又能與稀酸反響；〔4〕鋁在大氣中具有良好的耐蝕性，但純鋁的強度低，只有通過合金化才能得到可做結(jié)構(gòu)材料使用的各種鋁合金；6整理課件3.鋁合金的陽極氧化陽極氧化：在酸性溶液中，電流通過時，陰極上，析出氫氣；陽極上，析出的氧〔包括分子氧、原子氫和離子氧〕，通常在反響中以O(shè)2表示，作為陽極的鋁被其上析出的氧所氧化，形成氧化鋁。7整理課件鋁氧化膜的優(yōu)點〔1〕耐蝕性，膜厚及封孔質(zhì)量直接影響使用性能；〔2〕硬度和耐磨性，鋁基體的硬度為HV100，普通陽極氧化膜的硬度約HV300，硬質(zhì)氧化膜可達HV500，硬度和耐磨性是一致的；〔3〕裝飾性，既保持金屬的光澤和質(zhì)感，又可以染色成豐富多彩的彩色；〔4〕電絕緣性，鋁是良導(dǎo)電體，而氧化膜那么是高電阻的絕緣膜。絕緣擊穿電壓可達30~200V/um；〔5〕透明性，鋁純度越高，氧化膜透明度越高；〔6〕功能性，利用氧化膜的多孔性，可在微孔中沉積功能性微粒，得到功能性材料。8整理課件因為在空氣中生成的自然氧化膜只有0.01～0.1

m厚，裝飾性及防護性較差，經(jīng)陽極化處理，可以使氧化膜增厚至幾十微米，甚至幾百微米。鋁是比較活潑的金屬(標準電位-1.66V)，又是易鈍化金屬，在空氣中外表很容易生成天然氧化物膜，為什么還要進行陽極氧化?鋁及鋁合金的陽極氧化是如何進行?金屬活動順序表金屬原子CsLiKCaNaMgAlMnZnCr金屬離子Cs+Li+K+Ca2+Na+Mg2+Al3+Mn2+Zn2+Cr3+E0（V）-3.02-3.01-2.92-2.87-2.71-2.37-1.66-1.18-0.76-0.71FeCoNiSnPbH2CuHgAgPtAuFe2+Co2+Ni2+Sn2+Pb2+H+Cu2+Hg2+Ag+Pt2+Au3+-0.44-0.28-0.23-0.14-0.1300.340.7960.7991.21.42氧化膜的形成與生長氧化膜的形成與生長9整理課件中等溶解能力的酸性溶液，石墨/鉛/純鋁作為陰極，僅起導(dǎo)電作用陽極反響：陰極反響：同時酸對鋁和生成的氧化膜進行化學(xué)溶解氧化膜的形成與生長電極反響10整理課件

在通入陽極電流的情況下，鋁表面上同時發(fā)生氧化物生成反應(yīng)(成膜反應(yīng))和氧化物的溶解反應(yīng)(溶膜反應(yīng))：控制溶液組成和工藝條件，可以使成膜反應(yīng)速度大于溶膜反應(yīng)速度，就能使鋁表面生成需要厚度的氧化物膜。2Al+3H2O=Al2O3+6H++6e(成膜反應(yīng))Al2O3+6H+=Al3++3H2O(溶膜反應(yīng))氧化膜的形成與生長11整理課件鋁陽極化生成的氧化膜包括密膜層和孔膜層。密膜層(阻擋層)厚度很小，孔膜層存在大量孔隙(每平方厘米上億個)，因此可以著色處理，獲得裝飾性外觀。

氧化膜的結(jié)構(gòu)如何？12整理課件通過電子顯微鏡觀察，在硫酸、草酸、鉻酸和磷酸等電解液中生成的氧化膜的結(jié)構(gòu)根本相似，其孔體都是六角形結(jié)構(gòu)。

靠近金屬鋁的內(nèi)層為密膜層(阻擋層)，厚度0.01～0.05

m，電阻率高達109

m，顯微硬度可達15000MPa。外層為孔膜層，厚度可達250

m，疏松多孔，電阻率低(105

m)。

孔壁厚度孔體大小多孔層厚度孔穴直徑阻擋層厚度陽極氧化膜理想結(jié)構(gòu)圖氧化膜的形成與生長氧化膜的結(jié)構(gòu)13整理課件氧化膜的形成與生長陽極氧化電壓決定氧化膜的孔徑大小，低壓生成的膜孔徑小，孔數(shù)多，而高壓生成的膜孔徑大，孔數(shù)小，一定范圍內(nèi)高壓有利于生成致密，均勻的膜。一定電壓范圍內(nèi)，氧化膜孔徑與電壓成線性關(guān)系。14整理課件氧化膜的形成與生長氧化膜的孔隙率和孔徑與電解液性質(zhì)和工藝參數(shù)有關(guān)，比方在10℃、15%硫酸中進行陽極化處理，得到的氧化膜的孔徑為12nm，對應(yīng)于電壓15、20、30V，氧化膜的孔隙率分別為77×109、52×109、28×109/cm2。一定電壓范圍內(nèi)，氧化膜孔徑與電壓成線性關(guān)系。15整理課件

電子衍射測定證明，在20%硫酸電解液中得到的氧化膜，未經(jīng)封閉處理前其外表層是晶態(tài)的，由Al2O3·H2O和

-Al2O3混合而成；內(nèi)部是具有

-Al2O3結(jié)構(gòu)的無定形Al2O3。用水封閉處理后，則形成Al2O3·H2O和Al2O3·3H2O的混合物。

在陽極化過程中，隨著電解液對孔壁水化過程的進行，膜可能吸附或化學(xué)結(jié)合電解液中的離子。吸附量取決于電解液性質(zhì)和工藝參數(shù)(溫度、電流密度等)。例如可以吸附多達0.7%的鉻酸或者13～20%的硫酸。陽極氧化膜的具體成分，在很大程度上取決于電解液的類型、濃度和工藝參數(shù)。氧化膜的形成與生長氧化膜的組成16整理課件成膜反響究竟是如何進行？為什么陽極氧化要使用酸性溶液？氧化膜的形成與生長17整理課件由鋁的E-pH圖知，在pH=4.45～8.58之間為“鈍化區(qū)”，即鋁的氧化物處于熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)的E-pH范圍。由于這種狀態(tài)下的氧化膜極薄，在工業(yè)上的應(yīng)用價值很有限。氧化膜的形成與生長18整理課件因此，為了得到厚度滿足要求的氧化膜，陽極化過程的條件必須越出鈍化區(qū)。鋁的陽極化使用酸性溶液，就是這個道理。在酸性溶液中，鋁的氧化物雖然不處于熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，但可以處于介穩(wěn)狀態(tài)(虛線以上的區(qū)域)。氧化物膜在有限溶解的同時繼續(xù)生成，厚度到達工業(yè)應(yīng)用的要求。氧化膜的形成與生長19整理課件Al=Al3++3eE0=-1.66V與pH無關(guān)2Al+3H2O=Al2O3+6H++6eE0=-1.55VEe=-1.55-0.059pH2H2O=O2+4H++4eE0=1.228VEe=1.228-0.059pH在陽極極化條件下，比較這三個電極反響發(fā)生的傾向。如果不發(fā)生析氧，鋁能否生成Al2O3？氧化膜的形成與生長陽極反響的電位--pH關(guān)系20整理課件左圖的陽極氧化電壓-時間曲線的試驗體系：

鋁試樣

200g/L硫酸溶液溫度25℃、陽極電流密度1A/dm2該曲線明顯地分為ab，bc，cd三段，每一段都反映了氧化膜生長的特點。Vtabcd陽極氧化特性曲線氧化膜的生成規(guī)律，可以用氧化過程的電壓-時間曲線來說明。氧化膜的形成與生長氧化膜生成的特性曲線21整理課件Vtabcd陽極氧化特性曲線ab段：在開始通電后的很短時間內(nèi)，電壓急劇上升，這時鋁外表生成一層致密的、具有很高電阻的氧化膜，厚度約為0.01～0.015m，稱為密膜層或阻擋層。阻擋層阻礙了電流通過及氧化反響繼續(xù)進行。阻擋層的厚度在很大程度上取決于外加電壓。外加電壓越高，阻擋層厚度越大，硬度越高。阻擋層鋁基體氧化膜的形成與生長22整理課件

b點的電位以及它出現(xiàn)的時間，主要取決于電解液的性質(zhì)和操作溫度。電解液對氧化膜的溶解速度越快，氧化膜越容易出現(xiàn)孔穴，b點的電壓就越低，出現(xiàn)的時間越早。升高電解液溫度，氧化膜的溶解速度加快，b點的電壓降低，出現(xiàn)的時間提前。bc段：當(dāng)電壓到達一定數(shù)值后開始下降，一般可以比其最高值下降10～15%，這是由于電解液對氧化膜的溶解作用所致。由于氧化膜的厚度不均勻，氧化膜最薄的地方因溶解而形成孔穴，該處電阻下降，電壓也就隨之下降。氧化膜上產(chǎn)生孔穴后，電解液得以與新的鋁外表接觸，電化學(xué)反響又繼續(xù)進行，氧化膜就能繼續(xù)生長。孔穴阻擋層鋁基體氧化膜的形成與生長Vtabcd陽極氧化特性曲線23整理課件cd段：當(dāng)電壓下降到一定數(shù)值后不再下降，而趨于平穩(wěn)。此時阻擋層的生成速度與溶解速度到達平衡，其厚度不再增加，因而電壓保持平穩(wěn)。阻擋層厚度不增加，但氧化反響并未停止，在每個孔穴的底部氧化膜的生成與溶解仍在繼續(xù)進行，使孔穴底部逐漸向金屬基體內(nèi)部移動。隨著氧化時間的延長，孔穴加深，形成孔隙和孔壁?？妆谂c電解液接觸的局部也同時被溶解并水化(Al2O3.xH2O)，從而形成可以導(dǎo)電的孔膜層，其厚度由1至幾百微米。Al2O3H2O孔膜層阻擋層鋁基體氧化膜的形成與生長Vtabcd陽極氧化特性曲線當(dāng)膜的生成速度和溶解速度到達動態(tài)平衡時，即使氧化時間再延長，氧化膜的厚度也不會再增加，此時應(yīng)停止陽極氧化過程。24整理課件從氧化過程的分析知，氧化膜的生長，是在已生成的氧化膜下面，即氧化膜與金屬鋁的交界處，向著基體金屬生長。

在這個過程中，電解液必須到達孔隙的底部使阻擋層溶解，孔內(nèi)的電解液必須不斷更新。實驗測出，膜孔的孔徑為0.015～0.033

m，在這樣狹小的孔中，電解液如何進行更新？密膜孔膜孔膜壁氧化膜的形成與生長25整理課件電解液是通過電滲析更新的。在電解液中水化了的氧化膜孔壁外表帶負電荷，在其附近的溶液中靠近孔壁是帶正電荷的離子(比方由于氧化膜溶解而產(chǎn)生的大量Al3+)。由于電位差的影響，產(chǎn)生電滲液流，貼近孔壁帶正電荷的液層向孔外流動，而外部的新鮮溶液沿孔的中心軸流向孔內(nèi)。這種電滲液流是氧化膜生長增厚的必要條件之一。密膜孔膜孔膜壁氧化膜的形成與生長26整理課件整個陽極氧化電壓—時間曲線大致分三段：第一段ab〔A段〕：無孔層形成，連續(xù)、絕緣，0.01~0.1μm第二段bc〔B段〕：多孔層形成，溶解作用開始，最薄處空穴，第三段cd〔C段〕：多孔層增厚氧化膜的形成與生長27整理課件氧化膜的形成與生長