工艺技术│铝合金阳极氧化与表面处理技术

九、铝合金微弧氧化（MAO）

1.微弧氧化技术的原理：

微弧氧化也称微等离子体表面陶瓷化技术,是指在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化陶瓷膜的方法，是通过用专用的微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，金属表面形成陶瓷膜，达到工件表面强化的目的。

2.微弧氧化的特点

a.大幅度地提高了材料的表面硬度(HV＞1200)，超过热处理后的高碳钢、高合金钢和高速工具钢的硬度；

b.良好的耐磨损性能；

c.良好的耐热性及抗腐蚀性(CASS盐雾试验＞480h)，这从根本上克服了铝、镁、钛合金材料在应用中的缺点，因此该技术有广阔的应用前景；

d.有良好的绝缘性能，绝缘电阻可达100MΩ。

e.工艺稳定可靠,设备简单.反应在常温下进行，操作方便，易于掌握。

f.基体原位生长陶瓷膜，结合牢固,陶瓷膜致密均匀。

3.微弧氧化的应用

微弧氧化是一项新的铝合金表面处理技术，他把氧化铝的陶瓷性和铝合金的金属性结合起来，使铝合金表面具有更优良的物理化学性能。但由于技术、经济等原因目前在我国应用不广泛。但由于氧化膜的特殊性能可以在许多领域应用，包括航空汽车发动机、石化工业、纺织工业和电子工业等。

4.微弧氧化的不足

微弧氧化会造成火花放电、火花腐蚀，使产品表面比较粗糙，使用时要磨掉粗糙层，造成浪费。能耗比较高是普通氧化的五倍。

十、铝合金氧化膜的电解着色

1.铝合金氧化膜的常用着色工艺：

铝合金常用着色工艺大体上可以分为三类：

a.整体着色法：包括自然发色和电解发色两种，自然发色指阳极氧化过程使铝合金中添加成分（Si、Fe、Mn等）氧化，而发生氧化膜的着色。电解发色指电解液组成及电解条件的变化而引起的氧化膜的着色。

b.染色法：以一次氧化膜为基础，用无机颜料或者有机染料进行染色的氧化膜。

c.电解着色法：以一次氧化膜为基础，在含金属盐的溶液中用直流或交流电进行电解着色的方法，电解着色的耐候性、耐光性和使用寿命比染色法要好、其成本远低于整体着色法，目前广发应用于建筑铝型材的着色。国内外工业化的电解着色槽液基本上都是镍盐和锡盐（包括锡镍混合盐）溶液两大类，颜色大体上都是从浅到深的古铜色系。

2.电解着色的原理

多孔型阳极氧化膜的有规律和可控制的微孔，通过电解着色在孔的底部沉积非常细的金属和（或）氧化物颗粒，由于光的散射效应可以得到不同的颜色。颜色的深浅和沉积颗粒的数量有关，也就是与着色时间和外加电压有关。一般来说，电解着色颜色类似都是从香槟色、浅到深的青铜色一直到黑色，色调又不完全相同，这与析出颗粒的尺寸分布有关。目前电解着色只有于古铜色、黑色、金黄色、枣红色几种。

3.电解着色的应用

Sn盐和Sn-Ni混合盐是我国和欧美主要的着色方法，其盐为SnSO4，是利用Sn2+电解还原在阳极氧化的微孔中析出而着色；但Sn2+稳定性差易被氧化成没有着色能力的Sn4+，因此锡盐着色关键是槽液成分和锡盐稳定性是此工艺的关键，锡盐对杂质不敏感，着色均匀性比较好，对水污染不大。Ni盐电解着色在日本比较普遍，他常用于浅色系（仿不锈钢色、浅香槟色），他着色速度快，槽液稳定性好，但对杂质敏感，目前除杂质设备已成熟，但需要一次性投资大。

十一、铝合金氧化膜的染色

1.铝合金氧化膜染色的定义

染色法是将刚氧化后的铝合金清洗后立即浸渍在含有染料的溶液中，氧化膜孔隙因吸附染料而染上各种颜色。这种工艺上色快、色泽鲜艳、操作简便，但是染色后需要做封孔处理。

2.染色对氧化膜的要求

a.铝在硫酸溶液中得到的氧化膜无色而多孔，最适宜染色。草酸氧化膜本身呈黄色只能染深色，铬酸膜孔隙率低，膜本身发灰，也只能染深色。

b.氧化膜必须有一定的厚度，最小要求大于7um，较薄的氧化膜只能染上很浅的颜色。

c.氧化膜应有一定的松孔和吸附性，所以硬质氧化膜和铬酸常规氧化膜均不适与染色。

d.氧化膜应完整、均匀、不应有划伤、砂眼、点腐蚀等缺陷。

e.膜层本身具有合适的颜色，且没有金相结构的差别，如晶粒大小不一或者严重偏析等

3.氧化膜的染色机理

a.有机染料染色机理：基于物质的吸附理论，分为物理吸附和化学吸附；物理吸附指分子或离子以静电力方式的吸附；以化学力（反应生成的共价键、氢键、螯合键等）方式吸附的叫化学吸附。物理吸附希望低温，高温易脱附；化学吸附在一定温度下进行，一般认为染色时两种吸附同时进行以化学吸附为主，所以在中温下进行。

b.无机染料染色机理：通常在常温下进行，将工件按一定次序先浸渍在一种无机盐溶液中，再浸入另一种无机盐溶液中，使这些无机物在膜孔中发生化学反应生成不溶于水的有色化合物，填塞氧化膜孔隙并将膜孔封住（某些情况下可省去封孔过程）。无机染料颜色范围有限，色泽不够鲜亮，但耐温耐晒性特好。

4.不合格染色膜的褪色

染色后封孔前发现不良可用硝酸27%（质量分数）或者5ml/l硫酸在25度条件下退除。

十二、铝合金氧化膜的封孔

1.铝合金氧化膜封孔的定义

铝阳极氧化之后对氧化膜进行的物理或化学处理过程，以降低氧化膜的孔隙率和吸附能力，以便把染料密封在微孔中，同时提高膜的耐蚀性、耐磨等性能。在建筑行业世界各国对氧化膜的封孔基本上采用高温蒸汽法、冷封孔、电泳涂装法三种工艺，但目前中温封孔有扩大的趋势。从封孔原理来分主要有水合反应、无机物填充或有机物填充三大类。

2.热封孔工艺

a.沸水封孔：在接近沸点的纯水中（温度95度以上，去离子水），通过氧化铝的水合反应将非晶态的氧化铝转化成水合氧化铝，由于水合氧化铝比原来的体积大了30%，体积膨胀使的氧化膜的微孔填充封闭。

b.高温蒸汽封孔：原理和沸水封孔一样，优点：速度快、水质的依赖性小、少出现白灰、褪色风险小。设备需要密闭来保证温湿度，一般温度115~120度，压力在0.7~1atm为佳，成本高！

3.冷封孔工艺

冷封孔是我国最常用最基本的封孔技术，操作温度20~25的室温，时间和热封孔比缩短一半，是依靠微孔中的沉积的填充物来进行封孔的，最成熟的工艺为氟化镍为主成分的冷封工艺。冷封孔完成后要进行热水陈化后（60~80度去离子热水，10~15分钟）处理来改性，避免产品出现高温微裂。

4.中温封孔工艺

针对热封和冷封工艺的缺陷开发出无机盐中温封孔技术，主要包括铬酸盐封孔、硅酸盐封孔和乙酸盐封孔。

a.铬酸盐封孔：可提供良好的防腐蚀作用，尤其用于压铸铝合金和高铜铝合金（PH6.32~6.64，大约10min）

b.硅酸盐封孔：由于硅酸盐封孔后常常发生白灰或者变色，目前除非特殊需要不用此工艺

c.乙酸镍封孔：封孔品质比较好，在北美用得较多，我国除有机染色的小部件采用外，其他基本不用。