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铭牌制作工艺－铝和铝合金的阳极氧化
1. 概述
铝和铝合金在相应的电解液和特定的条件下，施加外加电流，在其表面上形成一层氧化膜的过程称为电化学氧化，由于铝和铝合金在电化学过程中处于阳极，所以，又叫阳极氧化，习称阳极化，以及近年发展的等离子体微弧氧化，可显著地改变合金表面的特性，广泛用于航空航天、电子、机械、造船、兵器等工业部门。
当电流通过以铝作为阳极的电解池时，根据电解条件，铝阳极上可能发生下列各个不同的过程：① 金属的阳极溶解；② 阳极表面形成极薄的钝化膜；③ 与阳极表面形成氧化物膜的同时，伴随着膜的化学溶解。
此外，阳极上还可能发生氧的析出等过程。实际上，阳极表面所生成的氧化物膜不被溶解，当它连续地附着在铝阳极表面上达到几个分子层的厚度时，阳极钝化以致氧化物停止生成。这样薄的吨化膜在工业上的应用价值是有限的。
铝的阳极化成膜过程，必定伴随着膜的化学溶解，生成氧化物的有效量因而又将低于理论预期的值。当通入一定电量时，阳极上生成氧化物膜的实际 值与理论值之比，称为阳极化成膜的电流效率。
2. 基本原理
铝在具有中等溶解能力的电解液阳极化时，所得到的氧化物膜具有密膜和孔膜的双层结构。围绕这样的结构特征来研究膜层的形成机理，是阳极化过程理论的主要方面。
目前出现三种不同的理论：
① 金属-氧化物界面控制理论；
② 氧化物本体控制理论；
③ 复合势垒控制理论。
3. 膜层结构和性质
①组成与结构
组成与结构 铝及其合金阳极化膜层的组成与结构，通常认为，密膜层的组成是AL203无定形结构，孔膜层则是r- AL203晶体结构，膜中的水，主要以水合物的形式存在，它也可能会起到使氧化铝成为更稳定的尖晶石型结构的作用。
②物理性能
a.密度和厚度
铝合铝合金阳极化膜的密度同膜的化学组成和结构（包括结构缺陷的存在）有关，其数值不易精确给出，大致上为3.1g/cm3。膜的厚度视制取条件的不同而不同。制取条件对密膜层的厚度影响不大，似乎可以看做视恒定的，但对包括孔膜层在内的总厚度则有显著的影响。
b.色泽
阳极化膜的色泽同所用电解镀的组成有关。不同类型电解液中获得膜的色泽大致如下表。
阳极化膜色泽的产生可能是所用的酸在电解过程中分解且其产物被膜层所吸收的结果。一般地说，阳极化的工作条件对膜的色泽无显著的影响，但在某些特殊情形下，例如称之为“整体着色”的阳极化工艺，膜的色泽非常敏感地因工作条件的变化而变化。
铝合金中所含的合金元素对所成膜层的色泽有较大的影响。完全无色透明的膜只能在纯铝上得到。
c.电学性质
铝和铝合金的阳极化膜具有介电的性质，经清洗和干燥后可以作为电绝缘体。它的击穿电压（或称击穿强度）随基材的性质和膜层厚度而定。未经封闭处理的膜，其击穿强度会因氧化物膜结构的时效过程[脱水或形成ALO（OH）]而缓慢变化。
应该指出，比击穿强度的数值只在一定厚度范围内适用，超过某一极限厚度，击穿电压与厚度之间的线性关系便不复存在。这是因为当厚度增长到一定值时，膜层将出现微裂纹，易使电流导通。
d.结合强度和拉伸强度
铝和铝合金上的阳极化膜同基材的结合强度十分高。弯曲实验表明，经阳极化的铝试片即使弯曲至膜层同基材一起破裂，也不会使氧化物膜同基材分离开。
e.内应力
铝阳极化膜内常有内应力的存在，它对膜层的性能和形貌都会产生一定的影响。膜的内应力使阳极化的过程中产生的，其数值的大小同基材的性质、阳极化条件和膜层厚度等因素有关。
膜的厚度增长对膜的内应力发展起着重要的作用。
f.硬度和耐磨性
一般的情况是，纯铝上氧化物膜的硬度高于合金上膜的硬度；使用直流电源至得的膜，其硬度比使用交流电源制得者高。
g.吸收能力和粘附能力
铝阳极化膜具有相当高的孔隙度，对各种液体，有机物和着色料等有良好的吸附能力。与此同时，由于膜的这种多孔性质，使它也常常用以作为铝材同金属胶接和作为铝制品沉积金属前的底层。
铝阳极化膜对物料的吸收能力和同金属粘附的能力取决于膜孔的数量和孔径的大小。膜同胶粘剂的结合强度主要决定于膜的孔径。与其他方法比较，磷酸阳极化所得膜的孔径最大，所以粘附能力最好。b.色泽
阳极化膜的色泽同所用电解镀的组成有关。不同类型电解液中获得膜的 4 .工艺技术
根据不同的环境和使用条件，有不同的阳极化工艺，其选择原则见下表
(1) 耐腐蚀阳极化
a.硫酸阳极化
铝极其合金的硫酸阳极化工艺规范列于下表
经阳极化处理后得到无色透明氧化膜，大大提高了铝及铝合的耐腐蚀性。由于阳极化膜层具有较高的防护能力，是铝和铝合金主要的防护与装饰方法。膜层的防护能力主要取决于铝合金的成分、膜层厚度、松孔程度以及阳极化处理的工艺条件（如电解液温度、使用水质及封闭处理工艺等）。纯铝和包铝的铝合金阳极化膜的耐腐蚀性能最好。
阳极化膜比化学氧化膜硬，耐热性、绝缘性及吸附能力更好。
阳极化处理对铝合金的疲劳性能有影响。用于长寿命期的零件都不采用硫酸阳极化处理，而采用对基体材料疲劳性能影响小一些的铬酸阳极化处理。
阳极化膜的厚度约为3～15μm，经硫酸阳极化处理后零件尺寸稍有增大。零件表面粗糙度液稍受影响，如果阳极化前进行抛光处理，可以得到弥补。
阳极化膜层多孔，孔隙率约为35%。为了提高阳极化膜层的耐蚀性，可以采用下述几种方法进行封闭处理。
① 沸水封闭：阳极化后90～98℃水中进行封闭处理，可提高耐蚀性。
② 高压蒸气封闭：与热水封闭效果相当。
③ 重铬酸盐封闭：由于膜孔中吸附了铬酸盐，具有缓蚀作用，进一步提高了耐蚀性和抗应力腐蚀的作用。
④ 二次封闭：用含镍盐或钴盐的重铬酸盐溶液封闭后，再浸封聚合物，使阳极化膜具有极高的抗腐蚀能力。第二次封闭时所使用的封闭工艺不同，膜层耐腐蚀能力也不尽相同，用某些聚合物封闭后，阳极化膜的耐蚀性比单独重铬酸盐封闭的高几倍。
铝阳极化膜不导电，在高温时由于氧化膜脱水，氧化膜的绝缘性能还可提高。
纯铝和铝镁合金很容易抛光，抛光表面阳极化后表面有很高的反应能力，既可用于装饰又可用于绝热。如经过阳极化处理又会大大提高热辐射能力，膜层的热辐射系数能够达到绝对黑体辐射系数的80%。
需要染色的铝及铝合金零件，采用硫酸阳极化处理比铬酸阳极化处理好。硫酸阳极化膜层厚，孔隙更多，对染料的亲和力更大，根据需要可以染成金黄、红、蓝、绿、咖啡等色。蓝色和金黄色的耐晒度高一些。用有机染料染色，膜层的耐晒度不如电解着色的好。用感光剂封闭后，可以在零件表面绘制图案。采用胶印绝缘还可套色，即可在零件表面得到两种或三种甚至更多种颜色的图案。
铝合金硫酸阳极化膜的应用范围如下。
① 铝合金零件的防护，如使用条件恶劣或要求耐蚀性比较高的零件，还应涂油漆作为补充保护。
② 为了装饰和作识别标而要求具有特殊颜色的零件。
③ 要求光亮外观，并有一定耐磨性的零件防护。
④ 含铜量大于4%的铝合金防护。
⑤ 形状简单的对接气焊零件。
⑥ 铝门窗的防护。
⑦ 铝合金制的日用五金、仪器、工艺品等的装饰防护。
⑧ 消除视觉疲劳要求黑色外观的零件。
b.混酸阳极化
旨在改善膜层性能和扩大工作温度范围的改进型硫酸阳极化方法，专利报道者已有不少，这些改进方法所用的电解液大都仍以硫酸为主，添加某些有机盐或有机物。
c.铬酸阳极化
铬酸阳极化膜不透明，为浅灰色或乳白色，氧化膜厚度只有2～5μm，膜层软、弹性好，松孔度低，不易染色，经过铬酸阳极化的制件能保持原来的精度和表面粗糙度。
铬酸阳极化膜层耐磨性不如硫酸阳极化磨层，与油漆的结合力不如化学氧化膜层，在进行胶接时，膜层的粘接能力不如磷酸阳极化膜层，但比硫酸阳极化膜层好，膜层不用封闭就可以使用，在同样厚度情况下，它的耐蚀能力比不封闭的硫酸阳极化膜高。
铬酸阳极化工艺能得到广泛使用的突出特点是：
① 对铝及铝合金疲劳强度影响小，适用于长寿命的和要求保持较高疲劳性能的零件；
② 铬酸阳极化工艺可以显现一般探伤方法不能显现的铝合金零件组织缺陷，主要是锻造和铸造零件表面的最小缺陷，如发纹等，还可以显露铝合金的晶粒组织,使检查材料缺陷与防护处理相结合；
③ 不会使零件尺寸发生变化，对零件表面粗糙也没有影响，适合精密零件的防护；
④ 阳极化溶液对铝合金的腐蚀性小，阳极化溶液残存在零件不易洗净的缝隙中时，对铝合金的腐蚀速度很慢。
铬酸阳极化膜的使用范围：
① 对疲劳性能要求较高的零件；
② 要求检查锻、铸加工工艺质量的零件；
③ 气孔率超过三级的铸件；
④ 硅铝合金的防护；
⑤ 精密零件的防护；
⑥ 形状简单的对接气焊零件；
⑦ 要求检查材料晶粒度的零件；
⑧ 蜂窝结构面板的防护。
⑨ 需胶接的零件
(2) 耐磨硬质阳极化。
铝合金的硬度很低，但经过硬质阳极化处理以后，表面可以得到很高硬度的厚氧化膜氧化膜的厚度可达250μm，硬度HV400左右，膜层还有高的电绝缘性（104Ω/mm2）、高的耐热性（短时可承受1500～2000℃的高温）以及良好的耐磨损性和耐腐蚀性。当膜层厚度为200μm时，氧化膜层的最大击穿电压可达2000～3000V，电导率很小。
氧化膜与基体有很好的结合力，但膜层性脆，并随膜层厚度的增加而脆性加大，因此经硬质阳极化处理的铝合金零件，不能承受冲击、弯曲和变形。
硬质阳极化的缺点是膜层超过一定厚度时，会使铝合金的疲劳强度降低。因此，承受疲劳载荷的零件采用硬质阳极化处理时，应十分慎重。
铝及铝合金硬阳极化膜应用范围。
a. 要求具有高硬度的耐磨零件。如活塞座、活塞、汽缸、轴承、导轨、水力设备叶轮或为减轻质量以铝代钢的耐磨零件等。
b. 耐气流冲刷的零件。
c. 要求绝缘的零件。
d．瞬时经受高温的零件。
3) 胶接用阳极化
铝和铝合金磷酸阳极化主要用于铝及其合金之间的胶接，由于磷酸阳极化膜层孔径大，
胶粘嵌入孔中显著加强了胶接后的剪切强度。
磷酸阳极化膜的另一个特点是具有防水性，这在高温度条件下对铝合金的保护具有更为重要的意义。含铜量比较高的铝合金不宜在铬酸中进行阳极化，而在磷酸中阳极化却和含铜量低的合金一样能得到质量好的膜层。
进行磷酸阳极化处理时，应注意的是阳极化后严禁表面膜层，禁止以任何形式接触膜层表面，包括不允许用手摸，并在1h以内进行涂胶。
铝合金磷酸阳极化膜适用范围：
a．合金胶接前的底层；
b. 电镀前的预处理；
c. 高湿度环境条件下铝合金的防护；
d. 含铜量高的铝合金的防护。
(4) 绝缘阳极化
像铝及铝合金硬质阳极化膜层一样，草酸阳极化膜也有较高的绝缘能力。在4%～5%草酸溶液中得到的膜层，其电阻率为104Ω mm，浸渍绝缘漆前击穿电压为200～300V，浸渍绝缘漆后击穿电压能够达到300～500V。
阳极化膜的颜色取于材料及其表面状态，多为半光泽的灰色至深灰色或稍带金黄色调的灰绿色。
有焊接接头的零件阳极化时，接头部位会逐渐溶解，因此不宜采用交流草酸阳极化处理。
铝合金采用交流草酸阳极化以后，膜层可以染色，作为装饰性防护层。但工艺成本高，一般不宜采用。
绝缘阳极化膜的应用范围：
a. 要求有较高电绝缘性能的精密仪器、仪表零件；
b．要求具有较高硬度和良好耐磨性的仪器、仪表零件；
c．食品器具、日用品的装饰防护。
(5) 瓷质阳极化
瓷质阳极化膜层具有类似瓷釉、搪瓷、塑料的不透明的灰色外观，也被称之为防釉氧化膜。膜层厚度约为6～20μm。膜层除具有很好的光泽装饰外观外，还有良好的耐蚀性，耐磨性、耐热性和绝缘等性能，也是一个多功能的膜层。
作为装饰性膜层，其外观比硫酸阳极化膜层好。同时还有一个独特的优点是膜层不透明，能够遮盖机械加工零件表面上的缺陷，对阳极化前零件表面状态要求不高，可以不进行电抛光。膜层表面光滑，零件表面上污垢或杂质容易清除。氧化膜可以染色，但染色后外观不如硫酸阳极化膜染色后颜色鲜艳。
膜层有一定韧性，不仅在承受冲击和压缩负载时膜层不会开裂，即使是在阳极化后，在零件表面进行钻孔、切削、锯、锉、弯曲等机加工，膜层也不脆裂。
膜层的硬度随材料成分而不同，硬度介于硬质阳极化和硫酸阳极化膜层之间，比铬酸阳极化膜硬度高。
膜层绝缘性能比草酸阳极化膜低，但高于硫酸或铬酸阳极化膜。
瓷质阳极化处理不会改变零件表面粗糙度，也不会影响零件尺寸精度，适宜于精密零件装饰和防护。
瓷质阳极化膜的应用范围：
a.精密仪器、仪表零件的装饰和防护；
b.需保持零件表面原有粗糙度和尺寸精度，又要求表面具有一定硬度、电绝缘性的零件；
c.日用品的装饰和防护。
6) 等离子体微弧阳极化
a.概况
微弧阳极氧化时零件在电解质水溶液中，置于阳极，利用电化学方法使铝、镁、钛、钽、锆或铌等材料的表面微孔中产生火花或微弧放电，在金属表面上生成陶瓷膜层的表面改性处理技术。所形成的膜层具有耐腐蚀性能高、耐磨性能好、绝缘、装饰美观以及与基体结合良好等特点，可用于腐蚀防护、耐摩擦磨损、电绝缘、美化装饰以及其他方面。作为一项尚处在发展中的技术，已引起人们的广泛关注。
根据微弧阳极氧化过程中加工件所处的极化形式该技术可分为：
① 直流型。采用恒值电压，加工件为阳极；
② 交流型。采用不规则正弦波电压，加工件的极性呈周期性变化；
③ 阳极脉冲型。采用脉冲或直流+脉冲的电压形式，加工件为阳极；
④ 交变脉冲型。正负脉冲电压按一定的方式交替地施加在加工件上。
应该说不同的方法具有不同的特点，实践中具体采用哪种方法更好，主要取决于加工件的材料组成和工艺要求。
b.性能
微弧阳极氧化技术所形成的陶瓷膜层具有显著的综合性能：
① 耐蚀性能高。承受5%的盐雾实验的耐蚀能力在1000h以上；
② 硬度高、耐磨性能好。其硬度高达HV800～HV2500（依材料及工艺而定），明显高于硬质化膜层，具有摩擦系数低的特点。
③ 电绝缘性能好。其体绝缘电阻率可达到5×1010Ω cm.，在干燥空气中的击穿电压为3000～5000V；
④ 外观装饰性能好，可按使用要求大面积地加工成各种不同颜色（红、蓝、黄、绿、灰、黑等）、不同花纹的膜层，而且一次成型并保持原基体粗糙度；经抛光处理后，膜层的粗糙度可达到Ra0.4～0.1μm，远高于原基体的粗糙度；
⑤ 导热系数小。膜层具有良好的隔热能力；
⑥ 与基体结合牢固。结合强度可达到2.04～3.06MPa。
此外，微弧阳极氧化技术本身还具有以下优点：
① 工艺简单易操作；
② 工艺清洁对环境基本无污染；
③ 不需要真空或低温条件，前处理工序少，适宜大规模自动化生产；
④ 陶瓷膜层的均匀性好，易于控制（20μm至300μm之间，按需而定）；
⑤ 对材料的适应性宽，除铝合金外还可在钛、镁、锆、铌等合金表面上制备氧化物陶瓷层。
c.应用
微弧阳极氧化技术是一项新技术，目前尚未投入大规模生产，但已显示出强大的吸引力，并已进入航空、航天、船舶、汽车、兵器、轻工机械、化学化工、石油化工、电子工程、仪器仪表、医疗卫生等领域。
d.工艺要求
① 工作电压。
② 表面电绝缘膜。
③ 电解液。
④ 热量。