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铝和铝合金装饰性阳极氧化工艺 讲 座(一)

2020/3/13 8:37:03 人评论 次浏览 分类:技术

铝和铝合金装饰性阳极氧化工艺

 座(

戴维浩(上海制笔电化厂)

铝虽然由于其它金属元素的加入而大大增加机械强度,但其防蚀能力却大大下降。随着铝合金品种的不断增加,铝合金制品的应用面不断扩大,对其防腐和精饰贾求亦日益提高。当前,铝和铝合金的防腐和精饰主要采用下三种方法:

1. 电镀金属层;

2. 表面氧化处理;

3. 表面氧化处理后覆盖涂层。

除了某些具有特殊使用目的的铝制件采用电镀工艺外, 一般均采用氧化处理以达到防腐和装饰目的。

目前铝和铝合金的氧化处理主要采用电化学氧化,这是因为电化学氧化法所获得的膜层具有一定的表面硬度、抗磨性、韧性、电绝缘性等;并且具有多孔平滑的表面吸附某种染料或涂料的能力。 但是这些氧化膜的良好性质,并不是所有经过电化学氧化处理都能具备的,而是随着铝和其合金的性质,铝氧化工艺条件的变化而获得不同性质的氧化膜层。

本讲座拟就铝和铝合金装饰性阳极氧化关的若干问题作扼要的叙述于后:

 铝和铝合金材质

铝和铝合金的成份及其组织,对于所生成氧化膜的性质具有极其重要的意义;特别对氧化膜的透明度、颜色、耐腐蚀性以及介电性能等影响较大。

此外,铝的度亦影响着化学抛光或电解抛光的质量通常只有高度铝(99. 99%以上)经过电解抛光后才能获得较高的光亮度1)。因此,应该根据铝和铝合金的性质及其要求选定适当的氧化工艺。

度铝(99.99%以上及其铝合金通过电解抛光(或化学抛光后再经硫酸阳极氧化处理,所生成的氧化膜厚度一般不大于5微米是无色、透明、紧密的,理化性能较佳;而普通的工业钝铝(例:Aoo含铝99.7% ),虽然通过同样的处理工艺,但所获氧化膜的性质,尤其是透明度,一般有所下降(图2)。

 因此,特别在装饰性铝氧化工艺中,对于铝的纯度要求较高;但是在铝的生产过程中总是难以避免一些杂质,例如CuFeSi MnTi等金属元素;有时为了改善铝的机械物理性质而特地加入一些合金元素, 例如MgCuSiCrNi等金属元素;这些元素与铝往往形成多元金属互化物,或以单质的形式夹杂在晶界中,它们与铝具有不同的氧化过程:

(1)选择性地被氧化,选择性地被溶解的金属单员及其互化物的有:MgAl3Zn2Mg2SiMnAl7α-FeAl3MgAl6CuAl2等。因此,能被氧化的金属单质及其互化物,它所形成的氧化膜层是连续的,但其色泽,理化性能等和铝氧化膜有所区别;而不能被氧化的金属单质及其互化物,如果溶解在电解液中,则给膜层留下孔穴(3),降低了氧化膜的抗磨性能及防蚀能力,但在一定程度上提高了膜的透明度。所以往往将普通的工业纯铝及通过热处理的Al-Mg-Si合金等用交流电进行氧化,以取得透明度较高的氧化膜层。一般,硅互化物对于膜层的透明度及外观色泽影响较小。

 

(2)不能被氧化而只能被溶解在电解液中或沉积在氧化膜的组份中的金属单质及其互化物的 有:CuFeSi、(Mgsi)2CuAl7Al3Si2Mg4Al2Mg3Zn3等;因之,氧化膜的色泽、透明度、抗蚀性、电绝缘性能等大大降低。所以在铝合金中某种合金元素的含量增加,常常使氧化膜具有特定的色泽;例如:含硅的铝合金呈不透明灰色至暗灰色;含的铝合金呈金黄色;含的铝合金呈浅黄色;含的铝合金呈乳浊色;而含锰量不同的铝合金在磺基水扬酸中氧化,其氧化膜层的色泽范围可从棕色到黑色,一般含锰量少的铝合金经硫酸氧化后膜层呈灰色色调。故如果合金元素中的单质及其互化物不被溶解而沉积在氧化膜中(4会降低氧化膜的透明度,影响氧化膜的泽以及其他性能。如果铁含量在铝中超过0.032%,氧化膜的反射系数就会大大下降。在含0.5% Mg的铝合金中甚至0.0250.035%SiFe,对光亮度会有重大变化,这主要由于Mg2Si 的存在而致的因素。 

总之,铝合金中的金属元素及其五化物的存在,均会给无色透明的Al2O3氧化膜形成补色作用,而使有机染料染色后的鲜艳度降低。但在另一方面为了获得阳极氧化后膜层耐晒的固有颜色,则必须应用某些特种铝合金。不同的装饰目的,用不同种类的铝和其合金,已经引起人们的普遍注意。

生成氧化膜的极限厚度随着合金中组份增加而降低,特别是铝合金及某些含有重金属元素的铝合金,当膜的厚度达到其临界值后反又下降。装饰性铝氧化膜的厚度根据使用条件的不同,一般控制在815微米之间;在相同的阳极氧化工艺条件下,纯铝氧化膜的硬度最高,抗蚀性能也最好。

然而铝的机械性能一般总比铝合金差,所以不能用以制造工业产品而在高纯度铝(99.99%)中Aoo 工业纯铝)加入1.52%所组成的铝合金,不但机械性能大大增强,而且其氧化膜的颜色、透明度等亦不比高纯铝(工业纯铝差。 这是由于合金中及其互化物在氧化时与铝一样也能生成氧化膜之故。但在铝合金中,根据含量的不同,阳极氧化过程亦有很大的区别,特别是对氧化膜生成速度的影响。在含较多的铝合金中,除了Al6Mg互化物由于氧化度较铝慢而留在氧化膜中降低膜层的透明度外;β-Al-Mg相(Al3Mg2)的存在,其互化物比铝更快地氧化或溶解,在含量多于5%的铝合金,常含有这类化合物,所以其氧化膜通常呈现多孔和糙,极限厚度较低。

一般铝合金刚进行阳极氧化时氧化膜的生成速度总比纯铝快,但随着氧化时间的延续,其膜层的外观逐渐呈现粗糙。所以在合金中的含量不宜太高,否则将影响氧化膜的表观;含量过多的铝合金在压力加工时也容易受到应力腐蚀。在装饰性光亮阳极氧化工艺中,铝 金中的CuFe Si 杂质总量不超过0.035%,其氧化膜的颜色和透明度无显著变化。特别是FeSi 的含量超过一定的含量时,光亮度就会有很大的影响,这主要是由于Mg2Si互化物的存在之故。 所以一般用于精饰性铝合金中铝基采用ABoo、ABoooABoooo高纯铝,要求较低的铝基则采用Aoo 普通工业纯铝。某些铝硅合金通过热处理后,不但可以大大增强合金的机械强度如硬度等),而且可以提高金属互化物的溶解度,经过氧化后可获一般光亮的膜层。

铝和其合金中的夹灰现象,往往在前处理过程中不易被察觉,但通过阳极氧化后,由于局部不能形成氧化膜,故肉眼可以见到黑色的斑点或条纹;至于表层的颗粒状杂质,也会引起氧化膜的鼓瘤或孔穴,严重影响制件的外观质量和抗蚀性。

铝合金的晶粒大小对氧化膜的结梅和性能具有一定的影响较大晶粒的铝合金由于在氧化、电解抛光或化学抛光中的不均匀反应,常呈桔皮型外观。因此都希望铝合金具有较细的晶粒。图5为铝钱合金二种晶粒大小的比较。铝及其合金常用的塔克尔(Tucker)结晶腐蚀液配方为

盐酸 45ml

硝酸 15ml

氢氟酸 15ml

  25ml

温度: 室温 时间:109.0

腐蚀前必须将试片洗净,表面无油垢,腐蚀后经清洗再通过30%冷硝酸钝数秒钟,最后洗涤并干燥。

 

二、 机械抛光

尽管在柔软的纯铝内加入某些合金元素(例如:Cu SiMg 等)后,增加了机械强度,但和其他金属比,表面硬度还是较低的;因此,通过-系列的机械加工成型后,制件表面总会受到不同程度的机械损伤,同时防腐措施不严常造成一些腐蚀点,故表面光洁度大大降低,直接影响到制件的外观。这些机械损伤和腐蚀点,通常不能以化学或电化学的万法轻易消除,所以对于表面光洁度要求较高的制件必须采用机械抛光制件表面受到严重的机械损伤和深度的腐蚀点,通常不能单用机械抛光来消除,而应辅之以机械磨光一抛光法来达到。

制件表面一般存在较厚的油污和自然氧化膜,这会给机械抛光增加困难,故必须在机械抛光前进行碱洗和硝酸”。 其组份及工作条件如下

(1)氢氧化 10/

磷酸三 30 /

碳酸 10 /

温度; 6080

时间:2分钟以内

(2) 硝酸 30%

温度: 室温。

时间 数秒钟。

铝或其合金的机械抛   般采用氧化铁抛光膏一一氧化(氧化铝抛光膏,分步抛光法, 这样不但可以抛光制件表面,而且表面清晰光亮,便于检验表面缺陷,如砂眼、夹灰等。

在磨光一一抛光过程中,制件与抛轮之间的受压磨擦中心温度较高,可使铝或其合金表层的晶格发生扭裂变形,并会引起局部的晶间腐蚀,抛光膏亦会随比

渗入晶体间隙(图6,所以铝或其合金通过抛光后的表层性能会发生变化,并将降低氧化后膜层的反射系数;故只要制件表面的机械损伤在许可范围内,一般可不用机械抛光。

装饰性的表面机械加工,一般采用喷砂,刷(砂)光等以达到均匀无光的表观。

 

 

 

二、 机械抛光

尽管在柔软的纯铝内加入某些合金元素(例如:Cu SiMg 等)后,增加了机械强度,但和其他金属比,表面硬度还是较低的;因此,通过-系列的机械加工成型后,制件表面总会受到不同程度的机械损伤,同时防腐措施不严常造成一些腐蚀点,故表面光洁度大大降低,直接影响到制件的外观。这些机械损伤和腐蚀点,通常不能以化学或电化学的万法轻易消除,所以对于表面光洁度要求较高的制件必须采用机械抛光制件表面受到严重的机械损伤和深度的腐蚀点,通常不能单用机械抛光来消除,而应辅之以机械磨光一抛光法来达到。

制件表面一般存在较厚的油污和自然氧化膜,这会给机械抛光增加困难,故必须在机械抛光前进行碱洗和硝酸”。 其组份及工作条件如下

(1)氢氧化 10/

磷酸三 30 /

碳酸 10 /

温度; 6080

时间:2分钟以内

(2) 硝酸 30%

温度: 室温。

时间 数秒钟。

铝或其合金的机械抛   般采用氧化铁抛光膏一一氧化(氧化铝抛光膏,分步抛光法, 这样不但可以抛光制件表面,而且表面清晰光亮,便于检验表面缺陷,如砂眼、夹灰等。

在磨光一一抛光过程中,制件与抛轮之间的受压磨擦中心温度较高,可使铝或其合金表层的晶格发生扭裂变形,并会引起局部的晶间腐蚀,抛光膏亦会随比

渗入晶体间隙(图6,所以铝或其合金通过抛光后的表层性能会发生变化,并将降低氧化后膜层的反射系数;故只要制件表面的机械损伤在许可范围内,一般可不用机械抛光。

装饰性的表面机械加工,一般采用喷砂,刷(砂)光等以达到均匀无光的表观。

 

来源:铝合金阳极氧化

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