溫度和時間對LD31鋁合金型材陽極氧化膜厚度的影響

  [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、持續陽極氧化時間、合金成分、電流密度、硫酸濃度等多種因素的制約。本文就生產實踐中槽液溫度和持續陽極氧化時間對氧化膜厚度的影響進行了探討，并找出了對應關系。

  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，在很多腐蝕介質作用下往往產生腐蝕而破壞。鋁合金型材經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用于鋁及鋁合金材料的表面處理工藝中。

  1.氧化膜形成機理和氧化膜結構

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

其工藝參數(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℃；
持續時間：25～40min；Al含量：＜18g/l。

在上述工藝條件下，生產了約50t鋁型材產品，發現同批產品的氧化膜厚度存在較大偏差，經過對56掛氧化膜厚度不理想的鋁型材(以10～12μm作為理想膜厚)進行檢驗，結果如下表所示：
 

通電后陽極氧化的過程實質是水的電解，電解時陰極上放出氫氣。即：
2H+＋2e- → H2↑(1-1)
在陽極上產生初生態(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(1-3)
在很短的時間內(一般可認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而發生溶解。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所示的結構。 氧化膜層的結構是以錐形針孔為中心的密實六棱柱蜂窩狀結構，錐形針孔直徑為100～500，隨著每個六棱柱體的不斷生長，電阻也逐漸增大，當膜厚的生長速度等于膜的溶解速度時，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。

當其它工藝條件穩定在一定范圍時，槽液溫度及陽極氧化持續時間就成了影響膜厚的主要因素。在膜厚小于10μm時氧化膜的耐磨、耐光、耐蝕性能較差，熱穩定性能較低，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越來越明顯。故膜厚應以10～12μm為佳。

2 起始溫度與氧化時間的最佳對應關系

膜厚的理論計算公式為：ｄ=KItc(2-1)

圖1氧化膜結構示意圖

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

從(2-1)式中可看出，氧化膜厚由K、I、t這3個因素所決定。K是成膜系數，從理論上講，K值主要取決于氧化槽液溫度，當I確定后，氧化膜厚ｄ主要由K、t來決定。在實際生產中，工藝要求氧化槽溫度變化范圍是14～23℃，持續時間是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，對應這3個起始溫度，分別取用5個陽極氧化持續時間(即24、27、30、33、36min)對鋁型材進行陽極氧化，在每種條件下進行25掛料實驗生產，共累計生產了25·3·5=375(掛)。

 統計情況如下表所示(I=1.2～1.4A/dm2)。
 

經過近3個月的生產，綜合考慮封孔質量、著色均一和生產效率與陽極氧化各工藝參數之間的相互制約關系，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時間對應關系如下：

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

經實踐，效果較為滿意，理想膜厚率達到89%，型材表面質量達到國家標準。

圖1 氧化膜結構示意圖
 

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的時間有關，因此槽液溫度與持續時間是相互聯系的。從生產實踐的結果看，當槽液起始溫度較低時，在較短的陽極氧化時間內，即可達到理想膜厚，反之，陽極氧化時間要長些。這是因為，氧化膜的生成速度(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，處理初期Vs基本不變，隨著時間的延長，膜厚的增加不利于膜孔內外電解液的熱交換，使孔內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，對應于一個最佳氧化時間，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時間的對應關系，可使膜厚波動范圍趨窄，得到較為理想的氧化膜厚度。

  

  關鍵詞：陽極氧化，陽極氧化處理，氧化膜