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铝合金阳极氧化原理


2Al + 3H2O = Al2O3 +6H+ + 6e Al2O3 +6H+ = Al3+ + 3H2O
(成膜反应) (溶膜反应)
控制溶液组成和工艺条件,可以使成膜反应速度大于溶膜反应速度,就能 使铝表面生成需要厚度的氧化物膜。
铝阳极化生成的氧化膜包括密膜层和孔膜层。密膜层 (阻挡层 )厚度很 小,孔膜层存在大量孔隙 (每平方厘米上亿个 ),因此可以着色处理,获得 装饰性外观。
氧化膜的形成与生长
成膜反应究竟是如何进行?
为什么阳极氧化要使用酸性溶液?
氧化膜的形成与生长
2.0 1.0
由铝的 E-pH 图知,在 pH = 4.45 ~ 8.58 之间为“钝化区”,即铝的氧化物 处于热力学稳定状态的 E-pH 范围。由于 这种状态下的氧化膜极薄,在工业上的 应用价值很有限。
氧化物 介稳状 态区
2 Al 3O Al2O3 2H 2e H 2
2 Al 6H 2 Al3 3H 2
Al2O3 6H 2 Al3 3H2O
阴极反应:
同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解
氧化膜的形成与生长
在通入阳极电流的情况下,铝表面上同时发生氧化物生成反应(成膜反应)和 氧化物的溶解反应(溶膜反应):
孔膜
响,产生电渗液流,贴近孔壁带正电荷
的液层向孔外流动,而外部的新鲜溶液 沿孔的中心轴流向孔内。 这种电渗液流是氧化膜生长增厚的 必要条件之一。
密膜
氧化膜的形成与生长
整个阳极氧化电压—时间曲线大致分三段:
第一段ab(A段):无孔层形成,连续、绝缘,0.01~0.1μm 第二段bc(B段):多孔层形成,溶解作用开始,最薄处空穴, 第三段cd(C段):多孔层增厚
3.铝合金的阳极氧化
阳极氧化:
在酸性溶液中,电流通过时,阴极上,析出氢气;阳极上,析出的氧(包 括分子氧、原子氢和离子氧),通常在反应中以O2表示,作为阳极的铝被 其上析出的氧所氧化,形成氧化铝。
铝氧化膜的优点
(1)耐蚀性,膜厚及封孔质量直接影响使用性能;
( 2)硬度和耐磨性,铝基体的硬度为 HV100,普通阳极氧化膜的硬度约 HV300,硬质氧化膜可达HV500,硬度和耐磨性是一致的;
阳极氧化膜的具体成分,在很大程度上取决于电解液的类型、浓度和工艺 参数。
电子衍射测定证明,在20%硫酸电解液中得到的氧化膜,未经封闭处理前其外
表层是晶态的,由Al2O3·H2O和-Al2O3混合而成;内部是具有-Al2O3结构的无定形 Al2O3。用水封闭处理后,则形成Al2O3· H2O和Al2O3· 3H2O的混合物。
V
左图的阳极氧化电压-时间曲线的试验体系:
b c 铝试样 200g/L 硫酸溶液 d
温度25℃、
阳极电流密度1A/dm2
a t 阳极氧化特性曲线
该曲线明显地分为ab,bc,cd三段,每一 段都反映了氧化膜生长的特点。
氧化膜的形成与生长
ab段: 在开始通电后的很短时间
内,
电压急剧上升,这时铝表面生 成一层致密的、具有很高电阻 的 氧 化 膜 , 厚 度 约 为 0.01 ~ 0.015 m ,称为密膜层或阻挡 层。 阻挡层阻碍了电流通过及 氧化反应继续进行。阻挡层的 厚度在很大程度上取决于外加 电压。外加电压越高,阻挡层 厚度越大,硬度越高。
阻挡层厚度不增加,但氧化反应并未停止,在每个孔穴的底部氧化 膜的生成与溶解仍在继续进行,使孔穴底部逐渐向金属基体内部移动。 随着氧化时间的延长,孔穴加深,形成孔隙和孔壁。孔壁与电解液接触 的部分也同时被溶解并水化 (Al2O3.xH2O),从而形成可以导电的孔膜层,
V
b c
其厚度由1至几百微米。
Al2O3H2O 孔膜层
因为在空气中生成的自然氧化膜只有0.01~0.1m厚,装饰性及防护性较差,
经阳极化处理,可以使氧化膜增厚至几十微米 ,甚至几百微米。
铝及铝合金的阳极氧化是如何进行?
氧化膜的形成与生长 电极反应
中等溶解能力的酸性溶液,石墨/铅/纯铝作为阴极,仅起导电作用 阳极反应:
H 2O 2e O 2H
与pH无关
2H2O = O2 + 4H+ + 4e Ee = 1.228 - 0.059pH
E0 = 1.228V
在阳极极化条件下,比较这三个电极反应发生的倾向。 如果不发生析氧,铝能否生成Al2O3?
氧化膜的形成与生长 氧化膜生成的特性曲线
氧化膜的生成规律,可以用氧化过程的电压-时间曲线来说明。
孔穴 阻挡层
铝基体
V
d
a t 阳极氧化特性曲线
电解液对氧化膜的溶解速度越快,氧化膜越 容易出现孔穴, b 点的电压就越低,出现的 时间越早。
升高电解液温度,氧化膜的溶解速度加快, b点的电压降低,出现的时间提前。
氧化膜的形成与生长
cd段: 当电压下降到一定数值后不再下降,而趋于平稳。此时阻挡层的生 成速度与溶解速度达到平衡,其厚度不再增加,因而电压保持平稳。
d
阻挡层 铝基体Leabharlann at 阳极氧化特性曲线
当膜的生成速度和溶解速度达到动态平衡时,即使 氧化时间再延长,氧化膜的厚度也不会再增加,此 时应停止阳极氧化过程。
氧化膜的形成与生长
从氧化过程的分析知,氧化膜的生长,是在已生成的氧化膜下面,即氧化膜 与金属铝的交界处,向着基体金属生长。
在这个过程中,电解液必须到达孔隙的底部使阻挡层溶解,孔内的电解液必
产品开发工程处阳极技术部
铝合金阳极氧化原理
讲师:张***** 电话:*********
2018.08
目录
1. 概述
2. 铝合金基本常识
3. 铝合金的阳极氧化
1.概述
铝及铝合金在大气中会与氧生成氧化膜,由于这种自然氧化膜极薄, 耐蚀能力很低,故远不能满足工业上应用的需要。为了提高铝及铝合金 的防护性、装饰性和其他功能性,大多数情况下可以采取阳极氧化处理。
氧化膜的形成与生长 铝合金氧化膜生成的原理
在铝阳极氧化过程中,氧化膜的生长是两个同时进行过程的作用结果, 是在生长和溶解这对矛盾动作中发生和发展的,通电的瞬间,首先生成阻 挡层,由于氧化铝体积比铝离子体积大,发生膨胀,阻挡层变的凹凸不平, 这就造成电流分布不均匀,凹处电阻较小但电流大,凸处相反,电流密度 高的凹处在电场作用下发生氧化膜的电化学溶解,以及硫酸浸蚀产生化学 溶解,凹处加深渐变成孔穴,继而形成多孔的氧化膜。
氧化膜的形成与生长
氧化膜的孔隙率和孔径与电解液性质和工艺参数有关,比如在
10℃、15%硫酸中进行阳极化处理,得到的氧化膜的孔径为12nm,对 应于电压15、20、30V,氧化膜的孔隙率分别为77 ×109 、52 ×109 、
28×109/cm2。
一定电压范围内,氧化膜孔径与电压成线性关系。
氧化膜的形成与生长 氧化膜的组成
须不断更新。实验测出,膜孔的孔径为 0.015~0.033 m,在这样狭小的孔中, 电解液如何进行更新?
孔膜壁
孔膜
密膜
氧化膜的形成与生长
电解液是通过电渗析更新的。
孔膜壁
在电解液中水化了的氧化膜孔壁表 面带负电荷,在其附近的溶液中靠近孔 壁是带正电荷的离子 (比如由于氧化膜溶 解而产生的大量 Al3+) 。由于电位差的影
在阳极化过程中,随着电解液对孔壁水化过程的进行,膜可能吸附或化学结
合电解液中的离子。吸附量取决于电解液性质和工艺参数(温度、电流密度等)。 例如可以吸附多达0.7%的铬酸或者13~20%的硫酸。
硫酸中阳极化得到的氧化膜组成
成 分 % 封 闭 前 78.9 0.5 20.2 0.4 用 水 封 闭 后 61.7 17.6 17.9 2.8 Al2 O3 Al2 O3 ·H2 O Al2 (SO4 )3 H2 O
孔壁 厚度
多孔层厚度 阻挡层厚度
250m ,疏 松 多孔 , 电阻 率 低 (105
m)。 阳极氧化膜理想结构图
氧化膜的形成与生长
阳极氧化电压决定氧化膜的孔径大小,低压生成的膜孔径小,孔数多,而高压
生成的膜孔径大,孔数小,一定范围内高压有利于生成致密,均匀的膜。
一定电压范围内,氧化膜孔径与电压成线性关系。
( 3)装饰性,既保持金属的光泽和质感,又可以染色成丰富多彩的彩色;
( 4)电绝缘性,铝是良导电体,而氧化膜则是高电阻的绝缘膜。绝缘击 穿电压可达30~200V/um; (5)透明性,铝纯度越高,氧化膜透明度越高; ( 6)功能性,利用氧化膜的多孔性,可在微孔中沉积功能性微粒,得到 功能性材料。
氧化膜的形成与生长 氧化膜的形成与生长
V
b c
d
a t 阳极氧化特性曲线
阻挡层
铝基体
氧化膜的形成与生长
bc段: 当电压达到一定数值后开始下降,一般可以比 其最高值下降10~15%,这是由于电解液对 氧化膜的溶解作用所致。由于氧化膜的厚度不 均匀,氧化膜最薄的地方因溶解而形成孔穴, 该处电阻下降,电压也就随之下降。 氧化膜上产生孔穴后,电解液得以与新的铝表 面接触,电化学反应又继续进行,氧化膜就能 继续生长。 b c b点的电位以及它出现的时间,主要取决于 电解液的性质和操作温度。
2.铝合金基本常识
常用铝合金分类
1×××系为工业纯铝(Al)
2×××系为铝铜合金铝板(Al--Cu)
3×××系为铝锰合金铝板(Al--Mn) 4×××系为铝硅合金铝板(Al--Si)
5×××系为铝镁合金铝板(Al--Mg)
6×××系为铝镁硅合金铝板(AL--Mg--Si) 7×××系为铝锌合金铝板[AL--Zn--Mg--(Cu)] 8×××系为铝与其他元素
氧化膜的结构如何?
氧化膜的形成与生长 氧化膜的结构
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