[摘要] 氧化膜厚度是影響鋁材表面封孔和著色均一性的主要因素。而氧化膜的生長和性能要受到槽液溫度、持續(xù)陽極氧化時(shí)間、合金成分、電流密度、硫酸濃度等多種因素的制約。本文就生產(chǎn)實(shí)踐中槽液溫度和持續(xù)陽極氧化時(shí)間對(duì)氧化膜厚度的影響進(jìn)行了探討，并找出了對(duì)應(yīng)關(guān)系。

  鋁及鋁合金材料在空氣或水中能夠生成一層自然氧化膜，從而提高了鋁材的耐蝕性。但這層自然氧化膜厚度通常僅有0.05～0.15μm，在很多腐蝕介質(zhì)作用下往往產(chǎn)生腐蝕而破壞。鋁合金型材經(jīng)陽極氧化處理后可生成厚度為0.5～250μm的多孔氧化膜，由于這層膜具有吸附能力，可以進(jìn)行封孔并染成各種顏色，使鋁材在耐磨、耐蝕、美觀、使用壽命等方面有很大提高，因而陽極氧化處理已廣泛應(yīng)用于鋁及鋁合金材料的表面處理工藝中。

  1.氧化膜形成機(jī)理和氧化膜結(jié)構(gòu)

  海晟五金氧化廠陽極氧化著色分廠鋁型材氧化著色生產(chǎn)線處于東莞市大朗鎮(zhèn)水口“投產(chǎn)于2014年10月，引進(jìn)的生產(chǎn)工藝。其工藝流程如下：
 

其工藝參數(shù)(陽極氧化)為：
電流密度：1.0～1.5A/dm2；硫酸濃度：160～190g/l；槽流溫度：14～23℃；
持續(xù)時(shí)間：25～40min；Al含量：＜18g/l。

在上述工藝條件下，生產(chǎn)了約50t鋁型材產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)同批產(chǎn)品的氧化膜厚度存在較大偏差，經(jīng)過對(duì)56掛氧化膜厚度不理想的鋁型材(以10～12μm作為理想膜厚)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如下表所示：
 

通電后陽極氧化的過程實(shí)質(zhì)是水的電解，電解時(shí)陰極上放出氫氣。即：
2H+＋2e- → H2↑(1-1)
在陽極上產(chǎn)生初生態(tài)(O)，并與陽極金屬鋁化合而生成無水氧化鋁膜。即：
4OHˉ- 4eˉ → 2H2O+O2↑ (1-2)
2Al3+＋3O2ˉ→Al2O3＋放熱反應(yīng)(1-3)
在很短的時(shí)間內(nèi)(一般可認(rèn)為是在通電后幾秒鐘)便形成層薄而致密的氧化膜，一部分膜由于和硫酸起反應(yīng)而發(fā)生溶解。即：
Al2O3＋3H2SO4 → Al2(SO4)3＋3H2O(1-4)
于是，原本致密的氧化膜變得多孔，最終形成如圖1所示的結(jié)構(gòu)。 氧化膜層的結(jié)構(gòu)是以錐形針孔為中心的密實(shí)六棱柱蜂窩狀結(jié)構(gòu)，錐形針孔直徑為100～500，隨著每個(gè)六棱柱體的不斷生長，電阻也逐漸增大，當(dāng)膜厚的生長速度等于膜的溶解速度時(shí)，膜厚也就不變了，最大膜厚將取決于采用的槽液成分和工藝條件。

當(dāng)其它工藝條件穩(wěn)定在一定范圍時(shí)，槽液溫度及陽極氧化持續(xù)時(shí)間就成了影響膜厚的主要因素。在膜厚小于10μm時(shí)氧化膜的耐磨、耐光、耐蝕性能較差，熱穩(wěn)定性能較低，使用壽命較短；而膜厚大于12μm后，鋁材的光澤性漸差，著色后的色差不均也會(huì)越來越明顯。故膜厚應(yīng)以10～12μm為佳。

2 起始溫度與氧化時(shí)間的最佳對(duì)應(yīng)關(guān)系

膜厚的理論計(jì)算公式為：ｄ=KItc(2-1)

圖1氧化膜結(jié)構(gòu)示意圖

式中： ｄ——氧化膜厚度(μm)；
I——電流密度(A/dm2)；
t——氧化持續(xù)時(shí)間(min)；
c——電解效率，c取0.68～0.77；
K——成膜系數(shù)，K取0.25～0.36。

從(2-1)式中可看出，氧化膜厚由K、I、t這3個(gè)因素所決定。K是成膜系數(shù)，從理論上講，K值主要取決于氧化槽液溫度，當(dāng)I確定后，氧化膜厚ｄ主要由K、t來決定。在實(shí)際生產(chǎn)中，工藝要求氧化槽溫度變化范圍是14～23℃，持續(xù)時(shí)間是25～40min。為此我們將14～17℃、17～20℃、20～23℃分別作為陽極氧化起始溫度，對(duì)應(yīng)這3個(gè)起始溫度，分別取用5個(gè)陽極氧化持續(xù)時(shí)間(即24、27、30、33、36min)對(duì)鋁型材進(jìn)行陽極氧化，在每種條件下進(jìn)行25掛料實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)，共累計(jì)生產(chǎn)了25·3·5=375(掛)。

 統(tǒng)計(jì)情況如下表所示(I=1.2～1.4A/dm2)。
 

經(jīng)過近3個(gè)月的生產(chǎn)，綜合考慮封孔質(zhì)量、著色均一和生產(chǎn)效率與陽極氧化各工藝參數(shù)之間的相互制約關(guān)系，制定陽極氧化工藝條件如下：

電流密度：1.3±0.1A/dm2；
硫酸濃度：170±10g/l；
A1濃度：＜16g/l。

氧化槽起始溫度與持續(xù)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

14～17℃→27min，17～20℃→30min，20～23℃→33min。

經(jīng)實(shí)踐，效果較為滿意，理想膜厚率達(dá)到89%，型材表面質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 氧化膜結(jié)構(gòu)示意圖
 

3 討論

鋁合金在陽極氧化過程中，陽極的溫度總是高于槽液的溫度，而陽極溫度的升高又與過程持續(xù)的時(shí)間有關(guān)，因此槽液溫度與持續(xù)時(shí)間是相互聯(lián)系的。從生產(chǎn)實(shí)踐的結(jié)果看，當(dāng)槽液起始溫度較低時(shí)，在較短的陽極氧化時(shí)間內(nèi)，即可達(dá)到理想膜厚，反之，陽極氧化時(shí)間要長些。這是因?yàn)椋趸さ纳伤俣?Vo)主要取決于電流密度的大小；溶解速度(Vs)主要取決于硫酸濃度的高低。在電流密度I和槽液硫酸濃度一定時(shí)，處理初期Vs基本不變，隨著時(shí)間的延長，膜厚的增加不利于膜孔內(nèi)外電解液的熱交換，使孔內(nèi)電解液溫度趨于上升，Vs增大，膜厚的增長減緩。所以在一定的起始槽液溫度下，對(duì)應(yīng)于一個(gè)最佳氧化時(shí)間，就可使膜厚得到有效控制，從而保證了建筑鋁型材陽極氧化后的封孔質(zhì)量和著色差的均勻性。

控制理想的氧化膜厚，可保證鋁型材的表面處理質(zhì)量，在一定的工藝條件下(如電流密度、槽液硫酸濃度、鋁離子濃度、攪拌等)，合理控制氧化槽液起始溫度和持續(xù)時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可使膜厚波動(dòng)范圍趨窄，得到較為理想的氧化膜厚度。

  

  關(guān)鍵詞：陽極氧化，陽極氧化處理，氧化膜