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铝合金的氧化处理工艺:阳极氧化处理后新铝及铝合金封闭工艺详解

阳极氧化处理后新铝及铝合金封闭工艺详解

  铝及铝合金因其优越的材料性能而得到了广泛应用，与此同时，材料表面的装饰、防护技术也得到迅速发展。在这些表面防护技术中，最常用的是对铝及铝合金材料表面进行阳极氧化、电解着色和铝合金封闭处理工艺。

  铝或铝合金经过阳极氧化处理后，金属表面会形成一层氧化膜（Al2O3），氧化膜的表层是多孔状结构，质地较为疏松，而底层较为致密。为了美观或其他特殊需要，常常还要对氧化膜进行电解着色处理，使材料表面着上颜色。由于阳极氧化膜的多孔结构和强吸附性能，表面易被污染，尤其处在腐蚀性环境中，腐蚀介质进入孔内易引起腐蚀。因此，经阳极氧化后的皮膜不管着色与否，均需进行铝合金封闭处理工艺。

  铝合金封闭处理工艺的原理就是通过沸水或化学溶液使得多孔状的氧化膜发生水解反应，形成Al（OH）3（化学封闭中会形成多种水解产物），体积膨胀后将氧化膜表面的微孔填充，使得工件表面的耐磨性和耐蚀性得到较大改善。氧化膜封闭的方法很多，如有沸水封闭法、蒸汽封闭法、盐溶液封闭法和石蜡、油类和树脂封闭法等等，以提高氧化膜的抗蚀、绝缘和耐磨等性能、以及减弱它对杂质或油污的吸附。

一、沸水封闭处理

沸水热封闭主要是将染色后的工件在沸水中煮约30分钟即可，目前这种工艺对水质要求很高，必须是蒸馏水，且要去离子化、PH值5-7之间、温度98℃。高温水蒸气封闭是由德国提出来的封闭工艺，它是将染色后的工件置于高压、100℃-110℃的蒸气中进行封闭。该方法封闭速度稍快，效果稍好一些。但高压蒸气要求在密闭的容器中，该方法设备成本高、不适于大件的处理。

沸水封闭（或蒸汽封闭）的原理，是氧化膜表面和孔壁的A1203在沸水中发生水化反应，生成水合氧化铝，使原来氧化膜的体积增加33～100%，氧化膜体积的膨胀使膜孔显著缩小，从而达到封孔的目的。

沸水封闭宜采用蒸馏水或去离子水，而不用自来水，以防水垢被吸附在氧化膜孔中，使皮膜透明度下降。

实践证明，采用中性蒸馏水封闭，制品易产生雾状块的外观，影响表面光亮度。采用微酸性的蒸馏水封闭，可得到良好的封闭状态。

沸水封闭的工艺条件如下：

温度 95～100℃

pH值 5．5～6（用醋酸调节）

时间 10～30min

二、蒸汽封闭

水蒸气封闭的效果要比沸水封闭好，但成本较高。一般适用于封闭要求较高的装饰性零件。蒸汽封闭还可防止某些染料在水封闭中的流色现象，而且利用蒸汽压力对氧化膜的压缩作用，可提高膜层的致密程度。

蒸汽封闭的工艺条件如下：

温度 100～110℃

压力 0.05～0.1 MPa （0．5～1 kgf/cm2）

时间膜厚 4～5min/ｕm

三、盐溶液封闭

1、 重铬酸盐封闭

  中温化学封闭是利用强氧化性的重铬酸盐，在较高温度下（90℃）与氧化膜作用生成碱式铬酸铝及碱式重铬酸铝沉淀以及氧化铝的水合物将孔封闭，被认为是各种封闭方法中氧化膜耐蚀性能较好的一种封孔技术。

重铬酸盐封闭法（俗称填充法），是在重铬酸盐的水溶液中。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）.Cr04]和重铬酸铝[Al（OH）.Cr207]，这些生成物填满皮膜的孔隙、起封孔作用。经重铬酸盐封闭的制品表面呈橙黄色。零件在铝合金封闭处理工艺前，必须仔细用冷水清洗洁净，以免将遗留在零件上的硫酸带到封闭槽中，对膜层色泽起破坏作用，防止零件与槽体接触、损坏氧化膜。封闭液中有害杂质S042- >0.2g/L时，会使封闭的零件色泽变淡、发白。可加入适量铬酸钙（CaCr04)沉淀过滤排除．当Si032- >0.02g/L时，造成制品发白和颜色发花，并影响抗蚀性能，可用添加硫酸铝钾[K2A12 （S04)4·24H20] 0.1～0.l5g/L来解决（根据生产情况每月添加3～4次）。当Cl- >1.5g/L时，对封闭溶液必须进行稀释或更换，因氯离子对氧化膜有腐蚀作用。

2、 水解盐类的封闭

  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。由于这些沉淀的氢氧化物几乎是无色透明的，而且它还能与有机染料分子形成络合物，因此，水解盐封闭法特别适用于防护一装饰性氧化膜经着色后的铝合金封闭处理工艺。

  冷封闭首先是由意大利提出来的一种封闭工艺，它是将工件浸入常温下的以NiF2为主的化学溶液中，通过离子交换以及水合反应形成Ni（OH）2，AI（OH）3混合水合物沉积，从而使氧化膜孔隙实现封闭。该方法对水质要求低、常温进行能耗低、封闭时间短。技术的缺点是镍对环境污染及人身损坏严重，该方法至今未获得国际上的认同。

  现有的封闭工艺基本满足了常规应用场合的使用需求，但在一些对工件表面洁净度要求苛刻的领域（如惯性约束聚变、航天等），上述多数封闭工艺是不能够达到要求的。经过铝合金封闭处理工艺的零件用酒精擦拭时就会出现大量褪色现象，氧化膜表面的耐磨性和耐蚀性较差，容易对洁净环境造成污染。而能够达到要求的个别工艺其成本很高，是普通工艺的几十倍。

  为了解决这一问题，中国科学院西安光学精密机械研究所先进光学技术研究室闫亚东、王锋、何俊华等科研人员提出了一种铝合金阳极氧化电解着色的封闭工艺。此工艺因水解温度逐渐降低，整个过程周期较长，水解过程由快逐渐变慢，为水解产物在氧化膜表面充分、致密附着提供了足够的时间。通过缓慢降温至室温的过程，避免了常规沸水封闭工艺中工件由高温迅速冷却导致水解膜快速脱水而开裂的现象，表面裂纹会大幅降低表面的耐磨性和耐蚀性。

  该发明对经过普通阳极氧化染黑处理后的工件封闭后，用百洁布沾酒精反复擦拭，百洁布洁净如初。“铝合金阳极氧化电解着色的封闭工艺”技术简单、成本低、无污染、封闭效果好，在惯性约束聚变及航天载荷中得到了验证，目前已获国家发明专利授权。

铝合金封闭工艺常见故障分析

工件局部烧焦

（1）.工件与阴极短路

（2）.工件之间的接触

工件与夹具接触处少交

（1）.夹具氧化膜没有除尽

（2）.工件与夹具之间接触不良

氧化膜疏松.粉化、脱落

（1）.温度过高 DA过大、时间过长

（2）.浓度过高

（3）.氧化前工件表面有腐蚀物, 未出光或出光效果差（浓度低、时间短等）.。

5. 4 氧化膜光泽性差、 发暗

（1）.碱蚀时间太长;

（2）.氧化液浓度过高或过低;

（3）.氧化过程中经常断电。

5. 5 氧化膜有白色斑痕或白色阴影

（1）.H 2SO4 浓度太高;

（2）.温度过高、 D A 过大;

（3）.铝离子含量> 20 g/ L ;

（4）.工件局部被遮挡或屏蔽, 低凹处D A过小,氧化膜薄。

5. 6 氧化膜出现黑色斑点或黑色条纹

（1）.工件油污未除尽;

（2）.电解液有悬浮物;

（3）.电解液含Cu2+、 Fe2+多;

（4）.工件清洗不净就封闭;

（5）.电解液中 Cl-含量过高, 在水中停 留时间过长。

5. 7 工件经沸水封闭后仍易于沾上手指印

（1）.封闭温度过低或时间过短;

（2）.水中A l （OH）.3 太多。

5. 8 开始氧化时电流剧升, 但反应缓慢

（1）.工件装夹不牢;

（2）.夹具使用前未经退膜处理;

（3）.导线铜线鼻与铜棒接触不牢, 导电不良;

（4）.铅板导电不良。

6 问题与改进

6. 1 槽温控制

由于氧化工件较多, 时间过长（连续工作制）., 槽液体积偏小, 加上缺少冷却条件, 难以满足氧化工艺要求, 直接影响氧化质量和生产效率。改进方法:

（1）.增加一个氧化备用槽, 便于轮换工作。

（2）.采用压缩空气搅拌。从槽底吹入过滤的压缩空气, 吹入量12 ~ 36 m3/ h, 压力1.5 ~ 5.0 kPa 。从长远生产出发, 尽可能购一台制冷设备。

（3）.改进氧化工艺配方添加一定量的草酸（2~5 g/ L）., 以适合在较高的温度下能正常工作, 同时使膜层颜色加深（用户要求深灰黑色, 有一定光泽）.。

6. 2 夹具材质的优选

铝质夹具每次使用后要退膜, 基材腐蚀很快, 耗材较多, 装夹性变差（因铝材厚度变薄, 装夹不牢）.。

改进方法:

（1）.尽管增加铝材厚度（≥3 mm）.;

（2）.改用钛材。虽然首次投资相对高一些 , 且导电性不如铝材, 但钛材氧化后无需退膜, 省材省时,有一定优越性。

6. 3 能耗的优化

因电加热能耗过大, 且加热管易损, 成本过高。

改进方法:

（1）.以蒸汽加热代替电加热, 大幅度降低能耗;

（2）.改造封闭槽结构。水泥槽（内衬瓷板）.保温性差, 散热快, 热耗大, 槽体开裂。可以制一个不锈钢内槽置于水泥槽内, 增加保温层, 并适当减少槽液容积, 达到升温快、保温好、能耗低的目的。