铝合金阳极氧化原理ppt课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,产品开发工程处阳极技术部,铝合金阳极氧化原理,1,1.,概述,3.,铝合金的阳极氧化,目录,2.,铝合金基本常识,2,1.,概述,铝及铝合金在大气中会与氧生成氧化膜，由于这种自然氧化膜极薄，耐蚀能力很低，故远不能满足工业上应用的需要。为了提高铝及铝合金的防护性、装饰性和其他功能性，大多数情况下可以采取阳极氧化处理。,3,2.,铝合金基本常识,1,系为,工业纯铝,（,Al),2,系为,铝铜合金,铝板（,Al-Cu),3,系为铝锰,合金铝板,(Al-Mn),4,系为,铝硅合金,铝板,(Al-Si),5,系为铝镁,合金铝板,(Al-Mg),6,系为铝镁硅,合金铝板,(AL-Mg-Si),7,系为铝锌合金铝板,AL-Zn-Mg-(Cu),8,系为铝与其他元素,常用铝合金分类,4,2.,铝合金基本常识,铝的物理性质,（,1,）铝合金的突出特点是密度小、强度高；铝的密度为,2.7g/cm,3,；,（,2,）塑性高：铝及铝合金具有优良的延展性，可以通过挤压、轧制成各种形状的产品；,（,3,）导电性好：仅次于金、银、铜；,（,4,）耐腐蚀：易生成氧化膜后具有很好的耐腐蚀性；,（,5,）易表面处理：如阳极氧化、电镀、喷涂、电泳、镭雕等，提高了铝的装饰性和防护效果。,5,2.,铝合金基本常识,铝的化学性质,（,1,）铝的化学性质活泼，在干燥空气中铝的表面立即生成约,5nm,的致密氧化膜，使铝不会进一步氧化并能耐水；,（,2,）铝的粉末与空气混合则极易燃烧，熔融的铝能与水剧烈的反应，高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属；,（,3,）铝是两性金属，既溶于强碱，又能与稀酸反应；,（,4,）铝在大气中具有良好的耐蚀性，但纯铝的强度低，只有通过合金化才能得到可做结构材料使用的各种铝合金；,6,3.,铝合金的阳极氧化,阳极氧化：,在酸性溶液中，电流通过时，阴极上，析出氢气；阳极上，析出的氧（包括分子氧、原子氢和离子氧），通常在反应中以,O,2,表示，作为阳极的铝被其上析出的氧所氧化，形成氧化铝。,7,铝氧化膜的优点,（,1,）耐蚀性，膜厚及封孔质量直接影响使用性能；,（,2,）硬度和耐磨性，铝基体的硬度为,HV100,，普通阳极氧化膜的硬度约,HV300,，硬质氧化膜可达,HV500,，硬度和耐磨性是一致的；,（,3,）装饰性，既保持金属的光泽和质感，又可以染色成丰富多彩的彩色；,（,4,）电绝缘性，铝是良导电体，而氧化膜则是高电阻的绝缘膜。绝缘击穿电压可达,30200V/um,；,（,5,）透明性，铝纯度越高，氧化膜透明度越高；,（,6,）功能性，利用氧化膜的多孔性，可在微孔中沉积功能性微粒，得到功能性材料。,8,因为在空气中生成的自然氧化膜只有,0.01,0.1,m,厚，装饰性及防护性较差，经阳极化处理，可以使氧化膜增厚至几十,微米,，甚至几百,微米,。,铝是比较活泼的金属,(,标准电位,-1.66V),，又是易钝化金属，在空气中表面很容易生成天然氧化物膜，为什么还要进行阳极氧化,?,铝及铝合金的阳极氧化是如何进行,?,金属活动顺序表,金属原子,Cs,Li,K,Ca,Na,Mg,Al,Mn,Zn,Cr,金属离子,Cs,+,Li,+,K,+,Ca,2+,Na,+,Mg,2+,Al,3+,Mn,2+,Zn,2+,Cr,3+,E,0,（,V,）,-3.02,-3.01,-2.92,-2.87,-2.71,-2.37,-1.66,-1.18,-0.76,-0.71,Fe,Co,Ni,Sn,Pb,H,2,Cu,Hg,Ag,Pt,Au,Fe,2+,Co,2+,Ni,2+,Sn,2+,Pb,2+,H,+,Cu,2+,Hg,2+,Ag,+,Pt,2+,Au,3+,-0.44,-0.28,-0.23,-0.14,-0.13,0,0.34,0.796,0.799,1.2,1.42,氧化膜的形成与生长,氧化膜的形成与生长,9,中等溶解能力的,酸性溶液,，,石墨,/,铅,/,纯铝,作为阴极，仅起导电作用,阳极反应：,阴极反应：,同时酸对铝和生成的氧化膜进行,化学溶解,氧化膜的形成与生长,电极反应,10,在通入阳极电流的情况下，铝表面上同时发生氧化物生成反应,(,成膜反应,),和氧化物的溶解反应,(,溶膜反应,),：,控制溶液组成和工艺条件，可以使成膜反应速度大于溶膜反应速度，就能使铝表面生成需要厚度的氧化物膜。,2Al+3H,2,O=Al,2,O,3,+6H,+,+6e (,成膜反应,),Al,2,O,3,+6H,+,=Al,3+,+3H,2,O (,溶膜反应,),氧化膜的形成与生长,11,铝阳极化生成的氧化膜包括密膜层和孔膜层。密膜层,(,阻挡层,),厚度很小，孔膜层存在大量孔隙,(,每平方厘米上亿个,),，因此可以着色处理，获得装饰性外观。,氧化膜的结构如何？,12,通过电子显微镜观察，在硫酸、草酸、铬酸和磷酸等电解液中生成的氧化膜的结构基本相似，,其孔体都是六角形结构,。,靠近金属铝的内层为密膜层,(,阻挡层,),，厚度,0.01,0.05,m,，电阻率高达,10,9,m,，显微硬度可达,15000MPa,。,外层为孔膜层，厚度可达,250,m,，疏松多孔，电阻率低,(10,5,m),。,孔壁,厚度,孔体大小,多孔层厚度,孔穴直径,阻挡层厚度,阳极氧化膜理想结构图,氧化膜的形成与生长,氧化膜的结构,13,氧化膜的形成与生长,阳极氧化电压决定氧化膜的孔径大小，低压生成的膜孔径小，孔数多，而高压生成的膜孔径大，孔数小，一定范围内高压有利于生成致密，均匀的膜。,一定电压范围内，氧化膜孔径与电压成线性关系。,14,氧化膜的形成与生长,氧化膜的孔隙率和孔径与电解液性质和工艺参数有关，比如在,10,、,15%,硫酸中进行阳极化处理，得到的氧化膜的孔径为,12nm,，对应于电压,15,、,20,、,30V,，氧化膜的孔隙率分别为,77 10,9,、,52 10,9,、,2810,9,/cm,2,。,一定电压范围内，氧化膜孔径与电压成线性关系。,15,电子衍射测定证明，在,20%,硫酸电解液中得到的氧化膜，未经封闭处理前其外表层是晶态的，由,Al,2,O,3,H,2,O,和,-Al,2,O,3,混合而成；内部是具有,-Al,2,O,3,结构的无定形,Al,2,O,3,。,用水封闭处理后，则形成,Al,2,O,3,H,2,O,和,Al,2,O,3,3H,2,O,的混合物。,在阳极化过程中，随着电解液对孔壁水化过程的进行，,膜可能吸附或化学结合电解液中的离子,。,吸附量取决于电解液性质和工艺参数,(,温度、电流密度等,),。例如可以吸附多达,0.7%,的铬酸或者,13,20%,的硫酸。,阳极氧化膜的具体成分，在很大程度上取决于电解液的类型、浓度和工艺参数。,氧化膜的形成与生长,氧化膜的组成,16,成膜反应究竟是如何进行？,为什么阳极氧化要使用酸性溶液？,氧化膜的形成与生长,17,由铝的,E-pH,图知，在,pH=4.45,8.58,之间为,“,钝化区,”,，即铝的氧化物处于热力学稳定状态的,E-pH,范围。由于这种状态下的氧化膜极薄，在工业上的应用价值很有限。,氧化膜的形成与生长,18,因此，,为了得到厚度满足要求的氧化膜，阳极化过程的条件必须越出钝化区,。铝的阳极化使用酸性溶液，就是这个道理。,在酸性溶液中，铝的氧化物虽然不处于热力学稳定状态，但可以处于介稳状态,(,虚线以上的区域,),。氧化物膜在有限溶解的同时继续生成，厚度达到工业应用的要求。,氧化膜的形成与生长,19,Al=Al,3+,+3e E,0,=-1.66V,与,pH,无关,2Al+3H,2,O=Al,2,O,3,+6H,+,+6e E,0,=-1.55V,E,e,=-1.55-0.059pH,2H,2,O=O,2,+4H,+,+4e E,0,=1.228V,E,e,=1.228-0.059pH,在阳极极化条件下，比较这三个电极反应发生的倾向。,如果不发生析氧，铝能否生成,Al,2,O,3,？,氧化膜的形成与生长,阳极反应的电位,-pH,关系,20,左图的阳极氧化电压,-,时间曲线的试验体系：,铝试样,200g/L,硫酸溶液,温度,25,、,阳极电流密度,1A/dm,2,该曲线明显地分为,ab,，,bc,，,cd,三段，每一段都反映了氧化膜生长的特点。,V,t,a,b,c,d,阳极氧化特性曲线,氧化膜的生成规律，可以用氧化过程的电压,-,时间曲线来说明。,氧化膜的形成与生长,氧化膜生成的特性曲线,21,V,t,a,b,c,d,阳极氧化特性曲线,ab,段,：,在开始通电后的很短时间内，,电压急剧上升，这时铝表面生成一层致密的、具有很高电阻的氧化膜，厚度约为,0.01,0.015,m,，称为,密膜层或阻挡层,。,阻挡层阻碍了电流通过及氧化反应继续进行。阻挡层的厚度在很大程度上取决于外加电压。外加电压越高，阻挡层厚度越大，硬度越高。,阻挡层,铝基体,氧化膜的形成与生长,22,b,点的电位以及它出现的时间，主要取决于电解液的性质和操作温度。,电解液对氧化膜的溶解速度越快，氧化膜越容易出现孔穴，,b,点的电压就越低，出现的时间越早。,升高电解液温度，氧化膜的溶解速度加快，,b,点的电压降低，出现的时间提前。,bc,段,：,当电压达到一定数值后开始下降，一般可以比其最高值下降,10,15%,，这是由于电解液对氧化膜的溶解作用所致。,由于氧化膜的厚度不均匀，氧化膜最薄的地方因溶解而形成孔穴，该处电阻下降，电压也就随之下降。,氧化膜上产生孔穴后，电解液得以与新的铝表面接触，电化学反应又继续进行，氧化膜就能继续生长。,孔穴,阻挡层,铝基体,氧化膜的形成与生长,V,t,a,b,c,d,阳极氧化特性曲线,23,cd,段：,当电压下降到一定数值后不再下降，而趋于平稳。,此时阻挡层的生成速度与溶解速度达到平衡，其厚度不再增加,，,因而电压保持平稳。,阻挡层厚度不增加，但氧化反应并未停止，在每个孔穴的底部氧化膜的生成与溶解仍在继续进行，使孔穴底部逐渐向金属基体内部移动。随着氧化时间的延长，孔穴加深，形成孔隙和孔壁。孔壁与电解液接触的部分也同时被溶解并水化,(Al,2,O,3,.,x,H,2,O),，从而形成可以导电的孔膜层，其厚度由,1,至几百微米。,Al,2,O,3,H,2,O,孔膜层,阻挡层,铝基体,氧化膜的形成与生长,V,t,a,b,c,d,阳极氧化特性曲线,当膜的生成速度和溶解速度达到动态平衡时，即使氧化时间再延长，氧化膜的厚度也不会再增加，此时应停止阳极氧化过程。,24,从氧化过程的分析知，,氧化膜的生长，是在已生成的氧化膜下面，即氧化膜与金属铝的交界处，向着基体金属生长,。,在这个过程中，电解液必须到达孔隙的底部使阻挡层溶解，孔内的电解液必须不断更新。实验测出，膜孔的孔径为,0.015,0.033,m,，在这样狭小的孔中，电解液如何进行更新？,密膜,孔膜,孔膜壁,氧化膜的形成与生长,25,电解液是通过,电渗析,更新的,。,在电解液中水化了的,氧化膜孔壁表面带负电荷，在其附近的溶液中靠近孔壁是带正电荷的离子,(,比如由于氧化膜溶解而产生的大量,Al,3+,),。由于电位差的影响，产生电渗液流，贴近孔壁带正电荷的液层向孔外流动，而外部的新鲜溶液沿孔的中心轴流向孔内。,这种电渗液流是氧化膜生长增厚的必要条件之一。,密膜,孔膜,孔膜壁,氧化膜的形成与生长,26,整个阳极氧化,电压,时间,曲线大致分三段：,第一段,ab,（,A,段）：,无孔层形成,，连续、绝缘，,0.010.1m,第二段,bc,（,B,段）：,多孔层形成,，溶解作用开始，最薄处空穴，,第三段,cd,（,C,段）：,多孔层增厚,氧化膜的形成与生长,27,氧化膜的形成与生长,铝合金氧化膜生成的原理,在铝阳极氧化过程中，氧化膜的生长是两个同时进行过程的作用结果，是在生长和溶解这对矛盾动作中发生和发展的，通电的瞬间，首先生成阻挡层，由于氧化铝体积比铝离子体积大，发生膨胀，阻挡层变的凹凸不平，这就造成电流分布不均匀，凹处电阻较小但电流大，凸处相反，电流密度高的凹处在电场作用下发生氧化膜的电化学溶解，以及硫酸浸蚀产生化学溶解，凹处加深渐变成孔穴，继而形成多孔的氧化膜。,28,阳极氧化工艺,硫酸阳极化工艺,铬酸阳极化工艺,草酸阳极化工艺,瓷质阳极化工艺,硬质阳极化工艺,29,30,