温度和时间对LD31铝合金型材阳极氧化膜厚度的影响

  [摘要] 氧化膜厚度是影响铝材表面封孔和着色均一性的主要因素。而氧化膜的生长和性能要受到槽液温度、持续阳极氧化时间、合金成分、电流密度、硫酸浓度等多种因素的制约。本文就生产实践中槽液温度和持续阳极氧化时间对氧化膜厚度的影响进行了探讨，并找出了对应关系。

  铝及铝合金材料在空气或水中能够生成一层自然氧化膜，从而提高了铝材的耐蚀性。但这层自然氧化膜厚度通常仅有0.05～0.15μm，在很多腐蚀介质作用下往往产生腐蚀而破坏。铝合金型材经阳极氧化处理后可生成厚度为0.5～250μm的多孔氧化膜，由于这层膜具有吸附能力，可以进行封孔并染成各种颜色，使铝材在耐磨、耐蚀、美观、使用寿命等方面有很大提高，因而阳极氧化处理已广泛应用于铝及铝合金材料的表面处理工艺中。

  1.氧化膜形成机理和氧化膜结构

  海晟五金氧化厂阳极氧化着色分厂铝型材氧化着色生产线处于东莞市大朗镇水口“投产于2014年10月，引进的生产工艺。其工艺流程如下：
 

其工艺参数(阳极氧化)为：
电流密度：1.0～1.5A/dm2；硫酸浓度：160～190g/l；槽流温度：14～23℃；
持续时间：25～40min；Al含量：＜18g/l。

在上述工艺条件下，生产了约50t铝型材产品，发现同批产品的氧化膜厚度存在较大偏差，经过对56挂氧化膜厚度不理想的铝型材(以10～12μm作为理想膜厚)进行检验，结果如下表所示：
 

通电后阳极氧化的过程实质是水的电解，电解时阴极上放出氢气。即：
2H+＋2e- → H2↑(1-1)
在阳极上产生初生态(O)，并与阳极金属铝化合而生成无水氧化铝膜。即：
4OHˉ- 4eˉ → 2H2O+O2↑ (1-2)
2Al3+＋3O2ˉ→Al2O3＋放热反应(1-3)
在很短的时间内(一般可认为是在通电后几秒钟)便形成层薄而致密的氧化膜，一部分膜由于和硫酸起反应而发生溶解。即：
Al2O3＋3H2SO4 → Al2(SO4)3＋3H2O(1-4)
于是，原本致密的氧化膜变得多孔，最终形成如图1所示的结构。 氧化膜层的结构是以锥形针孔为中心的密实六棱柱蜂窝状结构，锥形针孔直径为100～500，随着每个六棱柱体的不断生长，电阻也逐渐增大，当膜厚的生长速度等于膜的溶解速度时，膜厚也就不变了，最大膜厚将取决于采用的槽液成分和工艺条件。

当其它工艺条件稳定在一定范围时，槽液温度及阳极氧化持续时间就成了影响膜厚的主要因素。在膜厚小于10μm时氧化膜的耐磨、耐光、耐蚀性能较差，热稳定性能较低，使用寿命较短；而膜厚大于12μm后，铝材的光泽性渐差，着色后的色差不均也会越来越明显。故膜厚应以10～12μm为佳。

2 起始温度与氧化时间的最佳对应关系

膜厚的理论计算公式为：ｄ=KItc(2-1)

图1氧化膜结构示意图

式中： ｄ——氧化膜厚度(μm)；
I——电流密度(A/dm2)；
t——氧化持续时间(min)；
c——电解效率，c取0.68～0.77；
K——成膜系数，K取0.25～0.36。

从(2-1)式中可看出，氧化膜厚由K、I、t这3个因素所决定。K是成膜系数，从理论上讲，K值主要取决于氧化槽液温度，当I确定后，氧化膜厚ｄ主要由K、t来决定。在实际生产中，工艺要求氧化槽温度变化范围是14～23℃，持续时间是25～40min。为此我们将14～17℃、17～20℃、20～23℃分别作为阳极氧化起始温度，对应这3个起始温度，分别取用5个阳极氧化持续时间(即24、27、30、33、36min)对铝型材进行阳极氧化，在每种条件下进行25挂料实验生产，共累计生产了25·3·5=375(挂)。

 统计情况如下表所示(I=1.2～1.4A/dm2)。
 

经过近3个月的生产，综合考虑封孔质量、着色均一和生产效率与阳极氧化各工艺参数之间的相互制约关系，制定阳极氧化工艺条件如下：

电流密度：1.3±0.1A/dm2；
硫酸浓度：170±10g/l；
A1浓度：＜16g/l。

氧化槽起始温度与持续时间对应关系如下：

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

经实践，效果较为满意，理想膜厚率达到89%，型材表面质量达到国家标准。

图1 氧化膜结构示意图
 

3 讨论

铝合金在阳极氧化过程中，阳极的温度总是高于槽液的温度，而阳极温度的升高又与过程持续的时间有关，因此槽液温度与持续时间是相互联系的。从生产实践的结果看，当槽液起始温度较低时，在较短的阳极氧化时间内，即可达到理想膜厚，反之，阳极氧化时间要长些。这是因为，氧化膜的生成速度(Vo)主要取决于电流密度的大小；溶解速度(Vs)主要取决于硫酸浓度的高低。在电流密度I和槽液硫酸浓度一定时，处理初期Vs基本不变，随着时间的延长，膜厚的增加不利于膜孔内外电解液的热交换，使孔内电解液温度趋于上升，Vs增大，膜厚的增长减缓。所以在一定的起始槽液温度下，对应于一个最佳氧化时间，就可使膜厚得到有效控制，从而保证了建筑铝型材阳极氧化后的封孔质量和着色差的均匀性。

控制理想的氧化膜厚，可保证铝型材的表面处理质量，在一定的工艺条件下(如电流密度、槽液硫酸浓度、铝离子浓度、搅拌等)，合理控制氧化槽液起始温度和持续时间的对应关系，可使膜厚波动范围趋窄，得到较为理想的氧化膜厚度。

  

  关键词：阳极氧化，阳极氧化处理，氧化膜