铝合金的密度（铝合金阳极氧化与表面处理技术）

铝合金密度(铝合金阳极氧化和表面处理技术)

一、铝和铝合金的特性

1.密度低的

铝的密度约为2.7g/cm3，是金属结构材料中仅次于镁的第二轻金属，仅为铁或铜的1/3。

2.高可塑性

铝及其合金具有良好的延展性，可通过挤压、轧制或拉拔等压力加工方法制成各种形状、板材、箔片、管材和线材。

3.易于加强

纯铝的强度不高，但很容易通过合金化和热处理来强化。高强度铝合金的强度可以与合金钢相媲美。

4.良好的导电性

铝的导电性和导热性仅次于银、金和铜。假设铜的相对电导率为100，铝的相对电导率为64，铁的相对电导率仅为16。如果按照等质量金属的电导率计算，铝几乎是铜的两倍。

5.耐蚀性

它对铝和氧有很高的亲和力。在自然条件下，铝的表面会形成保护性的氧化物，比钢的耐腐蚀性好得多。

6.易于回收

铝的熔化温度低，约660 с，废料易再生，回收率极高，回收能耗仅为熔炼的3%。

7.可焊的

铝合金可以用惰性气体保护方法焊接。焊接后具有良好的力学性能、良好的耐腐蚀性和美观性，能满足结构材料的要求。

8.简单的表面处理

铝可以通过阳极氧化着色，处理后的铝硬度高，耐磨性、耐腐蚀性和电绝缘性好。化学预处理也可用于电镀、电泳和喷涂，以进一步提高铝的装饰和保护性能。

二、铝的表面机械预处理

1.机械预处理的目的

提供良好的外观条件，提高表面加工质量；

提高产品档次；

减少焊接的影响；

产生装饰效果；

获得干净的表面。

2.机械预处理的常用方法

常用的机械预处理方法有抛光、喷砂、刷涂和滚压。具体预处理取决于产品类型、生产方法、初始表面状态和最终整饰水平。

3.机械抛光的原理和作用

高速抛光轮与工件的摩擦产生高温，这是金属表面的塑性变形，从而使金属表面的凹凸点变平。同时，周围大气氧化瞬间生成的金属表面极薄的氧化膜被反复磨平，从而越来越亮。主要作用是去除工件表面的毛刺、划痕、腐蚀斑、砂眼、气孔等表面缺陷。同时进一步去除工件表面的轻微凹凸，使其具有更高的光泽度，直至镜面效果。

4.喷砂的原理和作用

清洁的压缩空气体用于将干砂流或其他磨粒喷到铝制品表面，从而去除表面缺陷并呈现暗淡的砂面。主要作用:去除工件表面的毛刺、铸渣等缺陷和污垢；提高合金的机械性能；达到均匀的表面消光效果。

5.刷牙的原理和作用

刷就是刷掉毛刺、污垢等。借助于抛光轮的旋转在产品的表面上抛光。对于铝合金拉丝，是指对产品进行拉丝，主要目的是起到装饰作用。

6.滚动灯的原理和功能

滚压是将工件放入装有磨料和化学溶液的滚筒中，借助滚筒的转动，使工件与磨料、工件与工件相互摩擦，达到抛光效果。

三。铝的化学预处理

1.化学预处理的定义和作用

用化学溶液或溶剂对铝材表面进行预处理，可以有效地去除原铝材表面的油污、污染物和自然氧化膜，使铝材获得润湿均匀的洁净表面。

2.化学预处理的一般工艺流程

常用的化学预处理方法有脱脂、碱洗、除灰、氟化砂表面处理、水洗等方法。根据待处理铝的用途和表面质量的要求，可以采用不同的化学预处理工艺。

3.脱脂的原理和作用

在酸性脱脂溶液中，油脂会发生水解反应，生成甘油和相应的高级脂肪酸。在少量润湿剂和乳化剂的帮助下，油脂会更容易溶解，从而提高脱脂效果。经过脱脂处理后，可以去除铝材表面的油脂和灰尘，使后续的碱洗更加均匀。

4.碱洗的原理和作用

将铝材放入以氢氧化钠为主要成分的强碱性溶液中进行蚀刻反应，进一步去除表面的污垢，将铝材表面的自然氧化膜完全去除，露出纯金属基体进行后续的阳极氧化处理。

5.除灰的原理和作用

碱洗后，产品表面往往附着一层不溶于碱洗槽液的金属化合物及其碱洗产物，它们是一层灰褐色或灰黑色的粉尘。除灰的目的是去除这层不溶于碱液的灰，防止后续阳极氧化过程中对槽液的污染。

6.氟化砂表面处理的原理和作用

氟化砂表面处理是一种利用氟离子使铝表面产生高度均匀、高密度点蚀的酸蚀工艺。目的是消除产品表面的挤压痕迹，产生平整的表面。但由于氟化砂表面处理工艺环境污染严重，目前尚未推广使用。

四。铝的(电)化学抛光和化学转化

1.化学抛光或电化学抛光的作用

抛光是一种先进的精加工处理方法，可以去除铝制品表面轻微的模痕和划痕条纹，去除摩擦条纹、热变形层、氧化膜等。即可能在机械抛光中形成，并使粗糙的表面趋于光滑，从而获得镜面般的光亮表面，从而提高铝制品的装饰效果。

2.化学投掷原理

抛光是控制铝表面的选择性溶解，使铝表面微观凸起部分优先于其凹陷部分溶解，从而达到表面光滑光亮的目的。电化学抛光的原理是尖端放电，其他化学抛光也差不多。

3.化学转化的作用

化学转化主要用于保护铝及其合金免受腐蚀。可直接作为涂层使用，也可作为有机聚合物的底层，既解决了涂层与铝的附着力，又提高了有机聚合物涂层的耐腐蚀性能。

4.化学转化原理

在化学处理溶液中，铝的表面与溶液中的化学氧化剂反应，形成化学转化膜。常见的化学转化有化学氧化处理、铬酸盐处理、磷铬酸盐处理和无铬化学转化。

5.化学转化导论

在沸水中可以在铝上获得致密的保护性化学氧化膜。这种方法被称为化学氧化处理，但由于成膜速度和性能的原因，它没有批量生产。铬酸盐处理形成的渗铬膜是目前耐蚀性最好的铝化学转化膜。它不仅常用作喷涂的底层，也可直接用作铝合金的最终涂层。然而，它的缺点是严重的环境污染。磷酸盐铬酸盐处理可以满足喷涂底层的要求，且三价铬无毒，因此目前在3C产品中广泛使用。无铬化学转化目前工业生产主要采用含钛或(和)锆的氟络合物的无铬处理，需要严格的化学预处理。同时，无铬膜无色透明，化学转化的实际效果无法通过肉眼确定，因此更依赖于可靠的技术和制造工艺的严格控制。总而言之，3C产品最常用的化学转化是磷铬酸盐处理。

动词 （verb的缩写）铝合金阳极氧化

1.阳极氧化的定义

阳极氧化是一种电解氧化，铝合金表面通常转化为一层氧化膜，具有保护、装饰等功能。

2.阳极氧化膜的分类

氧化膜可分为两类:阻挡氧化膜和多孔氧化膜。阻挡氧化膜是靠近金属表面的致密薄氧化膜，根据施加的电压，其厚度一般小于0.1um。多孔氧化膜由阻挡层和多孔层组成。阻挡层的厚度与施加的电压有关，多孔层的厚度取决于通过的电流。多孔氧化膜是最常用的一种。

3.阳极氧化膜的特性

A.氧化膜结构为多孔蜂窝结，薄膜的多孔性使其具有良好的吸附能力。可作为涂层的底层或染色，以提高金属的装饰效果。

B.氧化膜的硬度很高，阳极氧化膜的硬度很高，大约196-490 HV，因为高硬度决定了氧化膜的耐磨性很好。

C.氧化膜的耐腐蚀性。氧化铝膜在空气体和土壤中稳定，与基底结合力强。一般氧化后会进行染色、封孔或喷涂，进一步增强其耐腐蚀性。

D.氧化膜结合力。氧化膜与基底金属的结合力很强，用机械方法很难将它们分开。即使薄膜随金属弯曲，薄膜仍与母材保持良好的结合，但薄膜塑性小，脆性高。当漆膜受到较大的冲击载荷和弯曲变形时会开裂，所以这种氧化膜在机械作用下不易使用，可以作为油漆的底层。

E.氧化膜绝缘。铝的阳极氧化膜电阻高，热导率低。热稳定性可达1500度，导热系数为0.419w/(MK)-1.26w/(MK)。它可用作电解电容器的介电层或电器的绝缘层。

不及物动词铝合金氧化膜的形成过程

1.阳极氧化的第一阶段

在无孔层形成阶段，ab段，电压急剧上升，在断电的时间内(几秒到几十秒)达到临界电压。(电压的最大值)表明此时在阳极表面上形成了连续且无孔的薄膜层。无孔层的电阻很高，这阻碍了膜的持续增厚。无孔层的厚度与化成电压成正比，氧化膜在电解液中的溶解速率成反比。厚度约为0.01-0.1微米。

2.阳极氧化的第二阶段

在多孔层形成阶段，bc段会从膜最薄处的空孔中溶出，电解液可通过这些空孔到达铝的新鲜表面，使电化学反应继续进行，电阻下降，电压下降(下降率为最高值的10 ~ 15%)，膜上出现多孔层。

3.阳极氧化的第三阶段

当多孔层变厚时，电压平稳缓慢上升。此时，无孔层不断溶解到多孔层中，新的无孔层不断生长，使多孔层不断增厚。当生成速率和溶解速率达到动态平衡时，膜的厚度不会增加，反应应该停止。

七、铝合金阳极氧化工艺

1.阳极氧化的一般过程

常用的铝合金阳极氧化工艺包括硫酸阳极氧化工艺、铬酸阳极氧化工艺、草酸阳极氧化工艺和磷酸阳极氧化工艺。最常用的方法是硫酸阳极氧化。

2.用硫酸阳极氧化

目前国内外广泛采用的阳极氧化工艺是硫酸阳极氧化。与其他方法相比，在生产成本、氧化膜的特性和性能方面有很大的优势，具有成本低、膜层透明度好、耐腐蚀性和耐摩擦性好、易着色等优点。它以稀硫酸为电解液对产品进行阳极氧化，膜层厚度可达5μ m-20μ m，膜层吸附性好，无色透明，工艺简单，操作方便。

3.铬酸阳极氧化

铬酸阳极氧化得到的薄膜很薄，只有2-5 μm，能保持工件原有的精度和表面粗糙度。孔隙率低，不易染色，无需封孔即可使用；膜质柔软，耐磨性差，但弹性好；由于其耐腐蚀性强，铬对铝的溶解度低，针孔和缝隙中的残液对元件的腐蚀较小，因此适用于铸件等结构件。这种工艺在军事上应用广泛。同时可以检查零件质量，裂纹处会流出棕色电解液，很明显。

4.草酸阳极氧化

草酸铝氧化膜的溶解度小，所以氧化膜的孔隙率低，膜的耐磨性和电绝缘性优于硫酸膜。而草酸的氧化成本是硫酸的3~5倍。同时，草酸会在阴极和阳极发生反应，导致电解液稳定性差。草酸氧化膜的颜色容易随工艺条件而改变，造成产品色差，因此该工艺的应用受到限制。但草酸可以作为硫酸氧化添加剂。

5.阳极氧化磷酸

氧化膜在磷酸电解液中的溶解度大于硫酸，所以氧化膜薄(只有3um)，孔径大。磷酸膜由于具有很强的防水性能，主要用于印刷金属板的表面处理和铝工件粘接的前处理，可以防止胶粘剂因水化而老化，使胶粘剂的粘接力更好。

八、铝合金硬质阳极氧化

1.硬质氧化膜的特性

与普通氧化膜相比，铝合金硬质阳极氧化具有以下特点:氧化膜较厚(一般厚度不小于25um)，硬度较高(350HV以上)，耐磨性较好，空间隙比较低，击穿电压较高，表面平整度可能稍差。

2.硬质阳极氧化的工艺特点

硬质阳极氧化和普通阳极氧化在原理、设备、工艺、检测上没有本质区别。硬氧化试图降低氧化膜的溶解度，其主要特点是:

A.浴温较低(一般20℃左右，硬度在5℃以下)，一般低温产生的氧化膜硬度较高。

B.槽液浓度低(普通硫酸浓度为20%，但硬度小于15%)，低浓度对膜的溶解性很小。

C.在槽液中加入有机酸，在硫酸中加入草酸或酒石酸等。

D.施加电压和电流高(普通电流1.5A/dm2，电压18V以下，硬电流2~5A/dm2，电压25V以上)。高达100伏)

E.施加的电压应该逐渐增加。由于其电压高、电流大、加工时间长，所以消耗大量的能量。同时，硬质氧化中常采用脉冲电源或特殊波形电源。

3.铸造铝合金的硬质阳极氧化

铸造铝合金通常需要硬质阳极氧化来改善其性能。铝/硅系列合金和铝/铜系列合金通常用于铸造铝合金。铝硅系列具有良好的铸造性能和耐磨性，在结构构件和零件中应用最广泛。有时加入铜和镁来提高机械性能和耐热性。铜也是一种常见的铸造合金，主要用于动静载荷大、形状不复杂的砂型铸件。由于铝合金含有非金属等元素，电解液和电源波形需要改进。一般可以在电解液中加入一些金属盐或有机酸，硫酸-草酸-酒石酸溶液，硫酸-干性油溶液。一般供电形式有交流/DC叠加、不对称电流、脉冲电流等。，其中脉冲效果较好。在进行电氧化之前，应对菱角进行引导并去除毛刺，以防止电流集中。

九、铝合金的微弧氧化(毛)

1.微弧氧化技术原理:

微弧氧化又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，利用电弧放电来增强和活化阳极上的反应，从而在铝、钛、镁及其合金制成的工件表面形成高质量的增强陶瓷膜的方法。通过专用微弧氧化电源向工件施加电压，工件表面的金属与电解液相互作用，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

2.微弧氧化的特点

A.材料表面硬度大幅提高(HV > 1200)，热处理后超过高碳钢、高合金钢、高速工具钢的硬度；

B.耐磨性好；

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

D.绝缘性能好，绝缘电阻可达100 mω。

E.该工艺稳定可靠，设备简单，反应在室温下进行，操作方便，易于掌握。

f .在基底上原位生长陶瓷膜，陶瓷膜结合牢固，致密均匀。

3.微弧氧化技术的应用

微弧氧化是一种新型的铝合金表面处理技术。它结合了氧化铝的陶瓷特性和铝合金的金属特性，使铝合金表面具有更好的物理和化学性能。但由于技术和经济原因，目前在国内还没有广泛应用。但由于氧化膜的特殊性质，它可以应用于很多领域，包括航空空汽车发动机、石油化工、纺织工业、电子工业等。

4.微弧氧化缺陷

微弧氧化会引起火花放电和火花腐蚀，使产品表面粗糙。使用时要磨掉粗糙层，造成浪费。能耗比普通氧化高5倍。

十、铝合金氧化膜的电解着色

1.铝合金氧化膜的常见着色工艺:

常用的铝合金着色工艺大致可分为三类:

A.整体着色法:包括自然着色和电解着色。自然着色是指添加成分(硅、铁、锰等)氧化而引起的氧化膜的着色。)在铝合金阳极氧化过程中。电解着色是指电解液成分和电解条件的改变而引起的氧化膜的着色。

B.染色法:在原氧化膜的基础上，用无机颜料或有机染料对氧化膜进行染色。

C.电解着色法:以原生氧化膜为基础，在含有金属盐的溶液中，用直流电或交流电进行电解着色。电解着色的耐候性、耐光性和使用寿命优于染色法，其成本远低于整体着色法。目前广泛用于建筑铝型材着色。国内外工业化电解着色槽液基本都是镍盐和锡盐(包括锡镍混合盐)溶液，颜色一般都是由浅到深的古铜色。

2.电解着色原理

多孔阳极氧化膜的规则可控微孔。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，并且由于光的散射作用可以获得不同的颜色。颜色的深浅与沉积颗粒的数量有关，即与着色时间和施加的电压有关。一般来说，电解着色的颜色从香槟色、浅青铜色到深青铜色一路到黑色都差不多，色调也不完全一样，这与沉淀颗粒的大小分布有关。目前电解着色只有古铜色、黑色、金黄色、紫红色。

3.电解着色的应用

锡盐和锡镍混合盐是我国和欧美主要的着色方法。其盐为SnSO4，通过电解还原使阳极氧化微孔中的Sn2+沉淀而显色。但Sn2+稳定性差，容易被氧化成无显色能力的Sn4+。因此，锡盐着色的关键是槽液的组成，锡盐的稳定性是这一过程的关键。锡盐对杂质不敏感，着色均匀性好，水污染小。Ni电解着色在日本很常见，常用于浅色系(仿不锈钢色和浅香槟色)。着色速度快，槽液稳定性好，但对杂质敏感。目前除杂设备已经成熟，但需要较大的一次性投资。

XI。铝合金氧化膜的染色

1.铝合金氧化膜染色的定义

染色法是将刚氧化的铝合金洗净后立即浸泡在含有染料的溶液中，氧化膜的孔隙因染料的吸附而染上各种颜色。这种工艺上色快，色泽鲜艳，操作简单，但染色后需要封孔。

2.氧化膜染色的要求

A.铝在硫酸溶液中得到的氧化膜无色多孔，最适合染色。草酸氧化膜本身是黄色的，只能染成深色，铬酸膜孔隙率低，膜本身是灰色的，只能染成深色。

B.氧化膜必须有一定的厚度，最低要求大于7um。较薄的氧化膜只能染上非常浅的颜色。

C.氧化膜要有一定的孔隙率和吸附性，所以硬质氧化膜和铬酸常规氧化膜都不适合染色。

D.氧化膜应完整均匀，不应有划痕、砂眼、点蚀等缺陷。

E.薄膜本身颜色合适，金相组织无差异，如晶粒大小不同或严重偏析。

3.氧化膜的染色机理

A.有机染料的染色机理:基于物质的吸附理论，可分为物理吸附和化学吸附；物理吸附是指静电力对分子或离子的吸附；通过化学力(共价键、氢键、螯合键等)吸附。)称为化学吸附。物理吸附要求低温，高温易脱附；化学吸附是在一定温度下进行的。一般认为染色时两种吸附同时进行，以化学吸附为主，所以在适中的温度下进行。

B.无机染料的染色机理:通常在室温下进行，将工件按一定顺序浸入一种无机盐溶液中，再浸入另一种无机盐溶液中，使这些无机物在膜的孔隙中发生化学反应，生成不溶于水的有色化合物，氧化膜的孔隙被填满并封闭(某些情况下可以省略封孔过程)。无机染料的颜色范围有限，颜色不够鲜艳，但耐温性和耐光性都很优秀。

4.不合格染色膜褪色

染色后，封孔前发现的疵点可用27%(质量分数)硝酸或5ml/l硫酸在25℃下去除。

十二。铝合金氧化膜封孔

1.铝合金氧化膜封孔的定义

对铝阳极氧化后的氧化膜进行物理或化学处理，以降低氧化膜的孔隙率和吸附能力，从而将染料封闭在微孔中，提高膜的耐腐蚀性和耐磨性。在建筑行业，世界各国氧化膜的封闭基本采用高温蒸汽封闭、冷封闭和电泳涂装三种工艺，但目前中温封闭有扩大化的趋势。根据封孔原理分为三类:水化反应、无机充填或有机充填。

2.热封孔工艺

A.沸水封孔:在接近沸点的纯水(温度95度以上，去离子水)中，无定形氧化铝通过氧化铝的水合反应转化为水合氧化铝。因为水合氧化铝比原始体积大30%，氧化膜的微孔被体积膨胀填充和封闭。

B.高温蒸汽封孔:原理与沸水封孔相同。优点:速度快，对水质依赖性小，白灰少，褪色风险小。设备需要密封，保证温度和湿度。一般温度115~120度，压力0.7 ~ 1个大气压。成本高！

3.冷封孔工艺

冷封是中国最常用、最基本的封固技术。操作温度20~25室温，时间和热封比缩短一半。它依靠沉积在微孔中的填充物来密封孔洞。最成熟的技术是以氟化镍为主要成分的冷封孔技术。冷封后要进行热水老化(60~80℃去离子热水10~15分钟)对产品进行改性，避免高温微裂。

4.中温封孔工艺

针对热封和冷封工艺的缺陷，开发了无机盐中温封孔技术，主要包括铬酸盐封孔、硅酸盐封孔和醋酸盐封孔。

A.铬酸盐封闭:可提供良好的防腐效果，特别是压铸铝合金和高铜铝合金(PH6.32~6.64，约10min)

B.硅酸盐封孔:由于硅酸盐封孔经常造成白灰或变色，除非特殊需要，目前不采用这种工艺。

C.醋酸镍封口:封口质量好，在北美广泛使用。在国内，除了有机染色的小零件，其他零件基本不用。

十三。铝合金氧化膜的电泳涂装

1.电泳涂料的定义

溶液中带电的涂层粒子在直流电的作用下通过电泳形成涂层。铝的电泳涂装一般采用阳极电泳。电泳是一个低污染、低能耗的过程。具有涂膜光滑、耐水性和耐化学品性好的特点，易于实现自动化。适用于涂覆形状复杂、有棱角或孔洞的工件。

2.电泳涂装工艺原理

电泳涂装分为阳极电泳和阴极电泳。阳极电泳涂布的水溶性树脂是高价酸的羧酸盐，一般是羧酸铵。电泳涂料在酸性或碱性溶液中可电离成带点的胶粒，分散在水中。在DC的作用下，带电的树脂胶粒会在金属表面附着一层树脂模具。铝合金氧化膜电泳涂料的主要成分是水溶性丙烯酸聚合物，为半透明乳液。电泳涂装工艺是一个电化学过程，主要包括电泳、电沉积、电渗和电解四个过程。

3.铝合金电泳工艺

铝氧化后典型的电泳工艺如下:进料-脱脂-水洗-碱蚀-水洗(两遍)-除灰-水洗-阳极氧化-水洗(两遍)-电解着色-水洗-热纯水水洗-高纯水水洗-沥干-电泳涂装-——RO1。

4.电泳涂料的特性

优点:镀膜过程自动化程度高，镀膜回收率高，镀膜效率高，膜厚均匀，可减少不必要的浪费。同时槽液管理容易，镀膜条件易于控制和管理，膜厚均匀，渗透率高，内板防锈性好，不会出现漏膜、流痕等不良现象。

缺点:设备一次性投入大，镀膜材料必须导电，换漆换色困难。