陽極氧化處理的工藝參數

　　陽極氧化處理是在電解質溶液中，以鋁作為陽極通過直流電，由于發生電化學反應而在鋁上生成陽極氧化膜的工藝過程。這涉及到陽極氧化槽液類型，陽極氧化電源和陽極氧化操作參數三個方面。鋁陽極氧化的具體工藝參數有:槽液成分與濃度、陽極氧化溫度、陽極氧化的電壓與電流密度、電解槽的陰/陽極材質與陰/陽極面積比，以及槽液中容許的雜質含量等。而上述工藝參數又隨電解槽液的類型不同而不同，本節敘述硫酸、磷酸和鉻酸的陽極氧化工藝參數，草酸和混合酸的陽極氧化。

　　生成多孔型鋁陽極氧化膜的電解質槽液主要用無機酸電解液，如硫酸、鉻酸和磷酸等，其中硫酸應用最廣。有時也使用混合酸，如硫酸加草酸、硫酸加酒石酸等。硫酸陽極氧化膜無色透明，可以著色，也可以封孔，綜合性能較好。鉻酸陽極氧化膜不透明，但耐蝕性較強。磷酸氧化膜的孔徑大，適合于作為涂裝或電鍍的底層。堿性電解液陽極氧化膜表面粗糙、孔隙大、耐磨性差，除了可以作為涂裝底層外，應用相當有限。然而堿性電解液在高電壓陽極氧化中經常使用。有機酸中的草酸、酒石酸、磺基水楊酸等，常被加入到硫酸中以降低硫酸對于氧化膜的溶解能力，從而可以提高槽液溫度和電流密度，改進膜的質量，形成 ;寬溫氧化 ;。在特殊需要的情形下，也可以單獨使用有機酸，得到耐蝕、耐磨兼具的陽極氧化厚膜。

　　無機酸槽液主要控制全酸濃度和游離酸濃度，而游離酸濃度往往更有實際意義。槽液濃度應該視酸的種類而異，濃度范圍應該按照工藝說明認真管理。一般硫酸陽極氧化的硫酸濃度可以選擇在15%~20%，傳統上歐洲的硫酸濃度偏高，我國和日本的偏低。硫酸濃度的變化范圍控制在±10g/L，但是在三次電解多色化處理時，陽極氧化槽液的濃度范圍控制應該更加嚴格。磷酸溶液的濃度約為4%磷酸，鉻酸溶液約為3%鉻醉。在配制硫酸槽液時可用自來水配制，而在配制草酸或其他有機酸溶液時宜用去離子水。槽液中有害的雜質是氯、氟等形成的陰離子，以及銅、鐵、硅等形成的陽離子。槽液中鋁離子濃度也應該加以控制，在硫酸陽極氧化時‘鋁離子濃度一般控制在低于20g/L的范圍，最佳控制穩定在5~10g/L,氯離子濃度不宜高于100mg/L。鋁離子濃度過高，則陽極氧化膜的透明度降低，耐磨性下降，嚴重時還容易發生 ;燒焦 ;現象。

　　傳統的陽極氧化電源采用直流電氧化電源，在某些情形下脈沖電流氧化電源更具優勢，例如生產比較厚的或硬度比較高的陽極氧化膜。交流電陽極氧化和交直流疊加陽極氧化，在當前工業方面的應用還很少。直流陽極氧化中穩定的直流電，雖然可以由蓄電池或直流發電機提供，但是這并不是理想的電源，在工業應用中很少采用。通常，工業上采用SCR控制或滑動電刷自動變壓器控制的整流器提供直流電。最常用的脈沖陽極氧化的電壓波形是單向方波脈沖，由于電流回復效應，既保證短時間的高電流密度使陽極氧化膜高速生長，又有利于低電流密度時焦耳熱從膜層的散失，而防止膜燒損，最適合于壓鑄鋁合金的陽極氧化厚膜的形成。因此，在硬質陽極氧化方面，脈沖電源可以顯示其獨特的優越性。在建筑鋁型材陽極氧化時，除非生產厚度大于20μm的厚氧化膜，才可能顯示脈沖陽極氧化的優越性，因此，在我國鋁型材生產中脈沖陽極氧化沒有被大量選用。

　　陽極氧化是一個電化學放電過程，隨著氧化膜厚度的增加需要強制散熱，用冷卻來控制槽液溫度是保證陽極氧化膜性能的重要參數。鋁陽極氧化的最佳溫度范圍視電解槽液類型、鋁合金類型、陽極氧化條件以及陽極氧化膜的性能要求而有所不同。陽極氧化的槽液溫度一般是在20~30℃之間。硫酸溶液的溫度宜選擇在20℃以下，硫酸硬質陽極氧化的溫度要求更低，一般可以選擇在-5~+5℃。磷酸槽液大約為25℃，而鉻酸槽液可以達到甚至高于30℃。一般來說，電解槽液的溫度升高，陽極氧化膜的硬度、耐腐蝕性和耐磨性都會下降，甚至出現陽極氧化膜的燒焦或粉化現象。陽極氧化的操作溫度降低，則陽極氧化膜的透明度和染色性都會下降，而且容易引起著色的不均勻，但是陽極氧化膜的硬度會得到提高。

　　陽極氧化電壓決定了陽極氧化膜的結構，也就是決定了氧化膜的性能。拋光氧化加工和純鋁拋光氧化雖然看起來相似，但本質上兩者是不同的，因為在亮度方面，后者要比前者高得多。此外，原材料的組成也不同。至于拋光和氧化，拋光的主要目的是提高產品表面的光滑度和手感。在控制電壓陽極氧化時，外加電壓高則電流密度也高，陽極氧化膜的生長速度也隨之加快。陽極氧化電壓首先與鋁合金類型有關，在165g/L硫酸槽液、25℃和1.2A/dm^2電流密度下，6063-T5和5052鋁合金的電壓約為13~14V，6061-T6和3003鋁合金的電壓為14~15V，而2014-T6和2024-T3鋁合金則為17~18V。同時電壓還與電解質類型、電解槽液濃度、鋁離子濃度、槽液溫度以及攪拌等因素有關。一般條件下，硫酸溶液的電壓大致為15V,磷酸溶液約為20V，而鉻酸溶液則大于20V。在草酸槽液中陽極氧化，外加電壓已經從硫酸溶液中不到20V增加到50V左右。當然，火花陽極氧化的電壓可能達到幾百伏，此時外加電壓并不是單一電化學反應的結果，而是物理的火花放電過程與電化學過程的共同作用。

　　控制電流直流陽極氧化是最普通、最常用的方法，因為電流密度與時間直接控制陽極氧化膜的厚度，硫酸直流陽極氧化的電流密度大多采用1.0~1.5A/dm2。近年興起的高速陽極氧化，電流密度可以提高到1.5~3.0A/dm2的范圍，長時間保持如此高的電流密度可能燒損氧化膜，因此脈沖陽極氧化應運而生。硬質陽極氧化的電流密度更高一些，可能會達到3.0~4.0A/dm^2左右。在脈沖陽極氧化時，短時間脈沖電流密度可能會達到更高，但是脈沖陽極氧化的電流恢復效應有利于陽極氧化膜的快速生長。電流密度可以直接反映陽極氧化速度的快慢，也就是說電流密度愈大，陽極氧化膜生長速度愈快，生產效率愈高。但是最佳電流密度的選擇是與鋁合金類型、電解槽液類型與濃度、槽液溫度、電源波形甚至攪拌強弱都有關系的，最后總是需要綜合考慮各因素達到優化的目的。

　　陽極氧化槽液攪拌的目的是有利于陽極氧化膜的散熱，陽極氧化過程中電流通過膜層生成的焦耳熱必須散去。工業化批量生產通常將槽液機械循環到槽外，通過換熱器冷卻再用泵打回槽內，同時槽內再進行空氣攪拌可以使槽液成分和溫度更加均勻，而且更有助于陽極氧化膜的散熱。近年有報道稱將一般空氣攪拌改進為空氣微泡攪拌，可以加強散熱以提高陽極氧化膜的生長速度。槽液循環原則.上不能代替空氣攪拌，兩者同時使用效果更好，我國和歐洲通常同時采用槽液循環和空氣攪拌兩種方法。日本學者的觀點有些不同，他們認為空氣攪拌使槽液中含有大量空氣泡，增大槽液的電阻從而使能耗增加，另外還可能由于在工件表面上積聚空氣泡，造成陽極氧化膜的點缺陷，并不主張進行空氣攪拌。日本學者的意見也是不無道理的，因此不必強求硬性規定，應該根據生產的具體情況決定取舍才更加合理。

　　原則上在電流密度恒定時，陽極氧化膜的厚度是與電解時間成正比的。在恒電流密度陽極氧化時，就是簡單地用電解時間來控制陽極氧化膜的厚度。值得強調的是，隨著陽極氧化膜厚度的增加，電流通過氧化膜產生的焦耳熱加大，陽極氧化膜的生成效率逐漸降低。也就是說陽極氧化膜的生長速度隨著電解時間的延長而變慢，直至達到陽極氧化膜的極限厚度。因此在厚膜的生產過程中，單純依靠延長電解時間是不能達到目的的。必須從降低槽液溫度，加強槽液攪拌，降低槽液對于氧化膜的腐蝕性，甚至變恒電流陽極氧化為脈沖陽極氧化等多種措施加以解決。

　　硬質氧化一般要求厚度為25-150um，大部分硬質陽極氧化膜的厚度為50-80um，膜厚小于25um，的硬質陽極氧化膜，用于齒鍵和螺線等使用場合的零部件，耐磨或絕緣用的陽極氧化膜厚度約為50um，在某些特殊工藝條件下，要求生產厚度為125um以上的硬質陽極氧化膜，但是必須注意陽極氧化膜越厚，其外層的顯微硬度可以越低，膜層表面的粗糙度增加。

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