厂．］ 董 铝及铝合金制品的阳极氧化和着色机理分析 李红梅 王海君 （齐齐哈尔医学院，黑龙江齐齐哈尔Ｉ ６１ ００６） 摘要：本文分析了被广泛应用的铝及铝合金制品的防护与装饰方法一阳极氧化和着色主要工序中的机理以及影响制品 防护性能与着色质量的因素。 关键词：铝及铝合金；阳极氧化；氧化膜；着色；封闭 ＤＯＩ：１ ０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１ ６７１—６３９６．２Ｏ１ Ｏ．３４．Ｏ０１ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ａｎｏｄｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｌｏｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ａｎａｌｙｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｈｉｃｈ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｌｏｒｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｒｅ ａｌｓｅ ａｎａｌｙｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；Ａｎｏｄｉｃ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ；Ｏｘｉｄｅ ｆｉｌｍ；Ｃｏｌｏｒｉｎｇ；Ｃｌｏｓｕｒｅ 目前，铝及铝合金被越来越多地用来代替钢铁和各种 有色金属以及木材等非金属材料，并用来制成各种型材、 设备、零件及日用工业品 。 层以及排列不整齐的晶粒等最先被溶解，从而使制件表面的 晶格排列更趋于整齐、晶粒将更加紧密和细小。铝的钝度越 高、晶粒越细，化抛的质量也就越高 。 铝是一种化学活动性较强的轻金属元素。铝及铝合金 制品表面能在大气中自然地生成一层厚度为０．２５ Ｘ １０ ｕ １１１的 氧化膜，但这层薄膜不但耐蚀性和耐磨性都很差，而且制 品都是单一的银白色，所以，对铝及铝合金制品经过阳极 氧化以提高其耐蚀耐磨性能并进行着色装饰，是目前广泛 采用的方法 。 本文论述了铝及铝合金制品阳极氧化及着色方法主要 工艺的作用机理，这对于确保制品质量，增强抗蚀能力， 延长使用寿命，装饰美化外观，都有重要作用。 近年来应用的无氮氧化物气体（无黄烟）的新型酸性化 抛液，其成分为：Ｈ。Ｐ０ ，Ｈ。ＳＯ ，ＨＮＯ。，（ＮＨ ） ＳＯ ，ＣＯ（ＮＨ ）２， ＣｕＳＯ ，ＡＩＰＯ 。它们的作用及影响： Ｈ。Ｐ０ ：是化抛液中起切削和溶解作用的最主要成分。含 量要求在７０％￣８０％之间，若过低，将使化抛速度减慢，制品 表面不易得到较高的光亮度。 Ｈ ＳＯ ：没有它，虽然制品表面仍可得到光泽，但很容易 产生点蚀，故它在化抛液中的含量以５％～１０％为宜。 ＨＮＯ ：其含量以３％～８％为宜，过高，会使制品表面出现 点蚀，而且当温度较高时极易生成乳白色氧化膜；但低于 ２％将大大降低制品表面的光亮度。 ｌ 阳极氧化 下面按主要工艺过程进行分析。 １．１表面处理 １．１．１机械整平 ＮＨ 盐和ｃ０（ＮＨ：） ：具有抑制操作过程中放出氮氧化物气 体的作用。加入的比例是：ＮＨ 盐：ＣＯ（ＮＨ ） ＝３：２。 Ｃｕ ：在制品表面起辅助阳极作用，对电解液具有活化 作用。含量一般为０．０２％。 Ａｌ”：不仅有助于加快铝的溶解，而且也有抑制产生氮 根据制品在机械加工成型后的表面损伤程度以及对制 品的不同要求，在氧化前必须进行机械磨光或机械抛光。 １．１．２化学除油 制品表面沾附的油污必须除去，否则将影响Ｆ道工 序。常用的是碱性化学除油法。即通过皂化及乳化作用分 别将动、植物油以及矿物油污除去。 Ｉ．Ｉ．５化学抛光 氧化物气体的作用。当含量为７％～１０％时，对氮氧化物气体 的消除以及化抛质量均有利，并且在取下限时还可延长化抛 液的使用寿命。 化学抛光是一项金属表面光饰加工技术。化抛时，铝 １．２阳极氧化膜的形成 阳极氧化是用电化学方法使金属表面形成氧化膜，以达 到防腐耐蚀目的的一种工艺。 以离子形式溶解而进入溶液并聚集在制品的表面附近，使 制品表面的溶液粘度增大，导致铝的溶解速度下降。由于 粘液的比重较大，易沉积于铝件的凹陷处，所以，制品表 面凹陷处近似于钝化状态；而表面凸出部分的粘液层非常 薄，故凸起部分易与新鲜溶液接触而被溶解。另外，制品 对制品作阳极氧化处理，呵使制品表面生成一层细密、 有空隙、可吸附染料或无机物沉淀的人工氧化膜。 根据生产实践的观察和分析，这种氧化膜的生成是以下 两个同时进行的过程的结果：一个是氧化膜的电化学生成过 在溶解时，那些晶格较大、在机械抛光时产生的晶体变形 收稿日期：２０１０—１０～１１修回日期：２０１Ｏ－１１—１０ 作者简介：李红梅（１９６９一），女，辽宁沈阳籍，硕士，教授，从事高校化学教学及科研工作。 ０１ 厂＿］ 且浓度较低的条件下，容易出现此种情况）。对此，可采 用随氧化过程的进行而逐渐升高电压的方法解决。 董 有几种金属盐具有实用价值，如锡、镍、钴盐和用得较少 的铜盐 、 。 在一定范围内，增大电流密度可加快氧化膜的生长速 度；但若超出该范围，膜的生长速度非但不能加快，有时 ３ 氯化膜的封闭 及时对铝及铝合金制品作封闭处理，是为了使着色后 的氧化膜能够保持色泽以及提高其耐蚀、耐磨、耐晒等方 面的性能。 反而趋于停止。所以，通常将电流密度控制在２～４Ａ／ｄｌＩｌ２范 围内。为提高氧化膜的外观质量，可采用以下方法：在氧 化开始的３Ｏ秒内，取电流密度为工作值的一半，以后再逐 渐增至正常值 。 封闭处理的实质，是对多孔状氧化膜的孔隙作封口处 理。在多种封闭方法中，常用的有沸水、蒸汽和盐溶液三 种封闭法。以用沸水和蒸汽进行封闭为最好，其次是重铬 酸盐和水解盐类的封闭亦很好。 ２ 氯化膜的着色 经阳极氧化得到的新鲜氧化膜极易受到污染，故应立 即对其进行着色处理，以达到装饰目的。 根据着色物质和色素体在氧化膜中分布的不同，可把 氧化膜着色分为化学着色法和电化学着色法。 ２．１化学着色法 化学着色法是使染料吸附在膜层孔隙内着色的方法。 ２．１．１欲着色的氧化膜应具备的条件 首先，氧化膜应具有一定的厚度。对于不同厚度的 膜，着色的色调也不同：要得到深、暗的色泽，膜应厚 些；反之，则薄些。其次，膜本身应尽可能无色透明并有 一定的松孔和吸附性能。另外，氧化膜不能有明显的伤 痕、砂眼、点蚀和晶粒扩大、偏析等缺陷。 ２．１．２着色染料的选择 染料的选择是否合适，将直接影响制品的装饰效果。 选择时，既要考虑到着色的色光、耐晒和牢度，又要根据 氧化膜具有的特性。 由于氧化膜表面一般呈正电性，所以要选择一些带负 电性且易溶于水的阴离子型染料，比如，带亲水性的磺酸 基－－ＳＯ Ｎａ和羧酸基－－Ｃ００Ｎａ染料等。 ２．１．５用有机染料着色 用有机染料着色，是利用制品氧化膜具有物理吸附性 能和化学吸附性能而实现的。目前应用最多的是品种色彩 丰富的酸性染料、直接染料、茜素染料、活性染料及印地 科素还原性染料等。 ２．１．４用无机盐着色 将制品依次浸入两种无机盐溶液中，利用两种无机盐 在氧化膜孔隙内的化学反应，生成新的有颜色的无机盐并 沉积在孔隙中即可着色。比如，着黄色：先将铝及铝合金 制品浸入醋酸铅［Ｐｂ（ＣＨ。ＣＯ０） ］溶液，取出后用水清洗，再 浸入重铬酸钾［Ｋ。Ｃｒ ０ ］溶液，即可生成黄色的重铬酸铅 ［ＰｂＣｒ，０ ］新盐，沉淀于氧化膜孔隙中 。 ２．２电化学着色法 电化学着色是藉金属微粒对入射光的吸收和散射而产 生颜色，在特定介质下，色泽深浅由金属粒子沉积量决 定，而与氧化膜厚度无关。着色时是将铝及铝合金制品先 在硫酸溶液中制出洁净、透明多孔的阳极氧化膜，然后移 到酸性的金属盐溶液中，施以交流电处理，将金属微粒不 可逆地电沉积在氧化膜孔隙的底部，凡能由水溶液中电沉 积出来的金属，大部分都可用在电化学着色上，但其中只 ３．１沸水、蒸汽封闭法 在沸水中，氧化膜表面及孔壁的无水Ａ１ ０。水化，体积 膨胀，从而达到封闭孔隙的目的。当无水ｈｌ。０ 水化为一水 化合物时，体积比原来增Ｎ３３％，再进一步水化为三水化合 物时，体积将比原来增加１００％以上。利用蒸汽压力可使氧 化膜变得更加细密，以提高其耐蚀、耐磨等性能。 ３．２盐溶液封闭法 ５．２．１重铬酸盐封闭法（俗称填充法） 是在重铬酸盐水溶液中，氧化膜吸附了重铬酸盐后发 生化学反应，生成碱式铬酸铝［Ａｌ（ＯＨ）Ｏｒ０，］和碱式重铬酸铝 ［Ａ１（０Ｈ）Ｃｒ，０ ］，这些生成物填满皮膜的孔隙，起到封孔作 用，经重铬酸盐封闭的制品表面呈橙黄色。 ５．２．２水解盐类封闭法 是在某些金属盐溶液中，利用金属盐被氧化膜吸附 后，发生水解作用，生成氢氧化物沉淀，填充在孔隙内达 到封闭的目的。常用作封闭的金属盐有钻、镍盐类，其水 解反应为： 水解 ＮｉＳＯ４＋２Ｉａ￣Ｏ—一 Ｏ｝｛＞２ｌ＋Ｈ２ｓ。． △ 由于这些氢氧化物沉淀几乎是无色透明的，而且还能 与有机染料分子形成配合物，此法特别适用于防护装饰性 氧化膜经着色后的封闭处理 。 以上从理论和实践两方面，分析了铝及铝制品的阳极 氧化和着色机理，对提高其防护与装饰质量、延长使用寿 命，具有实际意义。可供大专院校相关专业师生及科研院 所、生产部门的科技与工程技术人员参考。 参考文献： ［１］曲保中等．工科大学化学［Ｍ］．机械工业出版社，１９９３：９２￣９４． ［２］王铁盟．铝及铝合金花样电解着色工艺［Ｊ］．电镀与涂 饰，２００４，６：１３～１４． 【３］郑乃贞，郑旦亮．Ｉｉｆｇ－Ｍｎ合金的碱性阳极氧化研究【Ｊ］．金属热处 理，２００６，３１（８）：２４￣２６． ［４］文斯雄．改进铝和铝合金阳极氧化的工艺［Ｊ］．腐蚀与防 护，２００４，１：４６． ［５３陈林根．工程化学［Ｍ］．浙江大学出版社，１９９２，２５４￣２５５． ［６］杨昌林．铝及铝合金脉冲阳极氧化膜性能的研究［Ｊ］．电镀与环 保，２００６，７：３３￣３５． ０３
