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铝及其合金氧化(一)

发布时间:2015-06-26  阅读:237


摘要:本文介绍了铝的化学氧化的常用办法、电化学氧化、硫酸阳极氧化,铬酸阳极氧化,草酸阳极氧化同时也介绍氧化膜的染色处理,锌及其合金的氧化,磷化。

关键字:铝,锌,氧化,磷化

1 前言

铝是活泼的金属,在空气中易发生氧化,在表面形成一层致密的薄膜,且有一定的防护作用,因而在大气中铝的耐蚀性优于钢铁。但纯铝的抗拉强度较低,铝中加入镁、锌、铜等元素后,抗拉强度提高,而耐蚀性却下降。因此,常用各种方法使铝表面生成一层具有一定厚度和良好的耐蚀性的保护膜,并常加涂装保护,以适应不同的使用要求。

铝及其合金氧化处理分为化学氧化和电化学氧化两大类。


1.1化学氧化

铝及其合金化学氧化所生成的氧化膜较薄,通常厚度约为0.5-4μm,且膜层较软,不耐磨,耐腐蚀性能低于电化学氧化膜。但化学氧化膜的吸附能力较强,是涂料涂装的良好底层。

用化学法氧化,设备简单,操作方便,生产率高,成本低,不受工件尺寸和形状的限制,适应范围广。工件氧化后再经涂装,能有效地提高耐蚀性。

化学氧化按处理溶液的性质可分为碱性氧化溶液和酸性氧化溶液两种。按所生成的膜层的性质又可分为氧化膜,磷酸盐膜,铬酸盐膜和铬酸-磷酸盐膜等。化学氧化溶液的配方和工艺条件见表1-1


1.2 化学氧化常用方法

1.2.1 磷酸-铬酸盐法

磷酸-铬酸盐法又称阿罗丁氧化法,用此法生成的氧化膜厚度约3~4μm,为无色到带彩虹的蓝色,与基体结合牢固,比碱液氧化膜致密,较耐磨,工件经处理后尺寸无明显变化。其溶液配方及工艺条件见表1-1的序号1。


组分名称

               序号

1

2

3

含量(g/L)

磷化

铬酐

氟化氢铵

氟化钠

磷酸氢二铵

硼酸

氢氧化钠

重铬酸钠

操作条件

PH

温度(℃)

50-60

20-25

3-3.5


2-3.5

1-1.             2




1.5-2.2

30-40


3.5-6

0.6





3-3.5


1.5-3

30-40




60×10-6



3×10-6




80


磷酸-铬酸盐法成膜包括三个过程:铝的溶解;氧化膜的生成;磷酸盐膜的成长。当铝件浸入溶液时,首先发生铝的溶解,由于溶液中存大氟离子,它与AL3+形成铬离子,使铝的溶解继续进行,同时,被溶解的铝的新鲜表面,受铬酸作用而钝化,表面很快生成致密的薄膜,阻滞了铝的继续溶解,而磷酸盐则在氧化膜上沉积。影响膜层质量的主要因素有:

(1)铬酐 在溶液中作为氧化剂,溶液若不含铬酐,腐蚀性加强,难于成膜,但含量过高又会使膜层质量变差,宜控制在20-25g/L。

(2)磷酸 是成膜的主要组分,含量低于50mL/L和高于80mL/L时,形成的膜层都较薄,耐腐蚀性能较低。

(3)氟化氢铵 是活化剂,促进膜的生成和致密。含量低于1.5g/L时,溶液不能成膜,含量达到3g/L时,溶液能生成耐蚀性最好的膜层。含量过高时,生成的膜层疏松。

(4)硼酸 用于控制溶液的氧化反应速度和改善膜层的致密性。

(5)温度 温度对膜层质量有重要的影响,在溶液组成正常的条件下,操作温度有决定作用,低于20℃时,形成的膜薄,耐腐蚀能力差,而高于40℃时,形成的膜疏松。

(6)时间 氧化所需时间与溶液的氧化能力和操作温度有关。新配溶液氧化能力较强,且操作温度较高时,氧化所需时间较短,否则需适当延长氧化时间。

(7)封闭处理 磷化膜是多孔隙的,为提高其抗蚀能力,需进行封闭处理。

可用含K2Cr2O740-55g/L的水溶液作封闭处理剂,在90-98℃下处理10min,用热水冲洗干净后,在≤70℃下烘干。


1.2.2 铬酸盐氧化法

此法与阿罗丁法相似,但形成的膜层较薄,厚约0.5μm。溶液配方及工艺条件见表1-1的序号2。此法一般在室温下使用,处理时间为10s到6min之间。氧化膜的颜色因合金成分和氧化时间不同而异,由无色透明到彩虹黄色和深棕色。当膜层与空气接触时,六价铬将从膜内渗出,对金属裸露的部位起保护作用。


1.2.3 低浓度氟化物处理

低浓度氟化物处理获得的膜层很薄,可作为涂装的底层,其溶液的配方及工艺条件见表1-1的序号3。


2 电化学氧化(阳极氧化)

铝及其合金的电化学氧化,是在电解液中,铝制品作为阳极,在外加电流的作用下,形成氧化膜,因而通常称为阳极氧化。阳极氧化按溶液性质及膜层性质可分为硫酸、铬酸、草酸、硬质及瓷质阳极氧化。


2.1 阳极氧化成膜机理

在酸性溶液中,铝阳极在外电流作用下氧化时,同时发生两个过程:氧化膜的生成和氧化膜的溶解。只有当成膜的速度超过膜溶解的速度时,铝表面才有氧化膜的实际存在。其反应如下:

槽液通电后,水首先被电解

              H2O    H+ + OH-

            2OH-在阳极放电H2O+2e+[O]

因而在阳极上生成新生态氧。由于氧原子具有很强的活性,极易与铝发生反应,在铝件表面上生成三氧化二铝膜层

               2AL+3[O]     AL2O3

(氧化膜生成)

在氧化膜形成的同时,由于溶液中酸(如硫酸)的作用,膜又不断地被溶解

          AL2O3+3H2SO4     AL2(SO4)3+3H2O

三氧化二铝是不导电的,氧化膜的形成后本会使铝表面与溶液绝缘,导致电化学反应停止,但由于化学溶解作用,使氧化膜具有许多微孔,电解液可以渗入到铝基体表面,因而,使氧化膜的形成与溶解反应不断地进行。


2.2 阳极氧化膜的性质

(1)极氧化膜为二层结构,内层是纯度较高的三氧化二铝,致密的薄的玻璃状膜,厚度约0.01~0.05μm,硬度较高;外层是含水的三氧化二铝(AL2O3. H2O)膜。

(2)氧化膜与基体结合牢固,因为氧化膜是由基体金属生成的,与基体金属结成为一个整体。

(3)氧化膜孔隙多,孔隙呈锥形毛细管状,孔径自内向外变大。因而,它具有很好的吸附能力,易染成各种颜色,加强装饰作用;与涂料结合强,适于作涂装底层;为提高耐蚀性能,应进行封孔处理。

(4)氧化膜是绝缘体,当膜厚1μm时,击穿电压为25V;纯铝氧化膜的电阻率为109Ω/cm2

(5)氧化膜耐热性能优良,耐热可高达1500℃,其热导率比金属低。

(6)氧化处理后,工件的尺寸稍有增大,因为三氧化二铝的体积比铝的体积大。


2.3 硫酸阳极氧化

硫酸阳极氧化的特点如下:

(1)铝及其合金硫酸阳极氧化所形成的膜为无色,厚度约5-20μm,硬度高,吸附能力强,易于染色。经封闭处理后,具有较高的抗蚀能力。

(2)溶液成分简单、稳定,允许杂质含量范围较宽,处理工艺简单,操作方便。

(3)除不适用于松孔度较大的铸件、点焊件或铆件外,其他所有的铝合金件都适用。


2.4 铬酸阳极氧化

(1)铬酸阳极氧化生成的氧化膜较薄,一般厚度约2-5μm,能保持工件原有的精度和表面粗糙度。适用于尺寸容差小,表面粗糙度要求高的工件以及一些铸件、铆接件、点焊件的氧化处理。

(2)铬酸阳极氧化膜层质软,弹性好,颜色由灰白到深灰,膜层不透明,与有机物结合良好,是涂装的良好底层,还广泛用于橡胶粘结件等。

(3)铬酸阳极氧化在溶液的成本、电力消耗、环保要求等方面都比硫酸阳极氧化高,而膜层的耐磨性则比硫酸阳极氧化膜低,且不适用于含铜量高于4%的铝合金工件的氧化处理。