腐蚀的艺术：阳极氧化的工艺流程

接上篇：腐蚀的艺术：阳极氧化的机理。

铝及铝合金的阳极氧化工艺的一般过程大致可分为：前处理、阳极氧化、后处理(非装饰性制品可不进行着色)。

各步骤工序的作用：

一、机械预处理

机械预处理通常有两方面的作用：

第一，为后续阳极氧化提高良好的表面条件；

第二，提供多种表面装饰效果，如光面、哑光面、拉丝面等外观效果。

主要有喷砂、抛光、刷光、滚光等机械预处理。

1、喷砂，是获得砂面型材的一个重要途径，由喷砂机完成。机械喷砂能完全消除工件表面缺陷和挤压条纹，得到比化学砂面（碱蚀砂面）更加均匀的哑光表面，同时也获得类似喷丸处理的表面强化效果。另外，机械喷砂最终效果根据砂粒的大小分细沙纹和粗砂纹，在生产成本和环保上相对于化学砂面法具有较大优势。 

2、抛光，是抛光机上进行的，将铝型材有规则地平放在工作台上，通过高速旋转的抛光轮与表面触压和磨擦，使表面光滑平整，甚至达到镜面效果。生产中常常用抛光来消除挤压条纹，因此，这时又称为“机械扫纹”。

3、刷光，刷光操作类似于磨光或抛光，不过要采用特制的刷光轮。刷光主要有两个作用，一是借助刷光轮的旋转，与工业铝型材接触时刷除铝型材表面的污垢、毛刺、腐蚀产物或其他不需要的表面沉积物。二是在零件表面上产生有一定规律的、细密的丝纹或获得无光的锻面状外观，起到很好的装饰效果。

刷光处理跟拉丝有些相似的地方：

4、滚光：是将工业铝型材放于盛有磨料和化学溶液的滚筒中，借助滚筒的旋转使工业铝型材与磨料、型材与型材相互摩擦以达到清理工业铝型材与抛光的过程。滚光可以除去零件表面的油污和氧化皮，使零件表面有光泽，其可以全部或部分代替磨光、抛光，但只适用于大批量且表面粗糙度要求不高的零件。这种方法用于小零件，可以大量生产。

二、脱脂

目的：除去工件经过冲压、CNC或者抛光等前工序的表面油污。若金属表面存在油污等有机物质，将对氧化层的平整程度、结合力、抗腐蚀能力等受到影响，甚至沉积不连续、疏松，乃至氧化层剥落，阳极氧化前的脱脂工艺非常重要。

三、碱蚀

也叫碱洗退镀，目的是在铝及其合金阳极氧化之前除去致密但不均匀的自然氧化膜，使其裸露出纯净的铝基体。

四、除灰

这一过程也叫中和或出光处理，由于普遍使用硫酸或硝酸除灰，所以也叫酸洗，铝合金经过碱洗后，表面经常会有一层灰黑色的灰状物,这层灰黑色的附着物俗称“挂灰”，原因是铝合金在碱洗中可能存在由铁、锰、铜、硅等生成的其他不溶于碱液的难溶附着物，残留在工件表面。除灰的目的一方面是去除工件表面黑色灰层，以获得较光亮的金属表面，同时也可以中和碱洗后残留的碱，防止污染电解液。

五、抛光

这里指的是化学抛光，是靠化学试剂（酸性或碱性）的化学浸蚀作用对样品表面凹凸不平区域的选择性溶解作用消除磨痕、浸蚀整平的一种方法。用于消除工件表面的机械缺陷，减小表面粗糙度，并提高其表面光泽。

化学抛光分酸性化学抛光和碱性化学抛光：由于铝既可以溶于强酸溶液，也可以溶于强碱溶液，所以铝及其合金的化学抛光分酸性化学抛光和碱性化学抛光。但碱性溶液对铝材腐蚀速率较快，失重大，尺寸变化大，难以做到高亮度效果，不适用于经过机械抛光后的处理，但对于喷砂后的工件抛光有一定的实用意义。所以碱性抛光一般适用于型材或经过粗加工后的工件，对于有精度或光泽度要求工件，一般选用酸性抛光。

机械抛光不能直接用于阳极氧化，特别是光亮阳极氧化：经过机械抛光后的铝合金工件虽然已经获得光亮的表面，但若将机械抛光后的工件直接进行阳极氧化，往往很难保持抛光后的光泽，所得到的只是一个平滑的表面而得不到反光系数较高的膜层，这主要是机械抛光时局部表面压力不均，在工件表面易形成的晶体变形层，所以经机械抛光后的工件还必须要经过化学抛光或电化学抛光，以除去工件表面在机械抛光时所形成的晶体变形层，从而获得光亮、细致的表面。

抛光后除灰：由于铝合金一般含有铜、镁、硅等元素，经过化学抛光后工件表面遭受腐蚀而变色，在其表面形成一层均匀的黑色浮灰。所以，化抛后，同样地需要有进行除灰处理。

六、阳极氧化

其机理在上一篇已有介绍，阳极氧化按溶液分常有以下三种：

铬酸阳极氧化，阳极氧化最初的商业应用是铬酸阳极氧化。G D Bengough和J M Stuart在研究铝上镀铬时，因接错线发现了铝表面生成了阳极氧化膜。

1、性能                    

膜厚约为0.003mm，不透明；膜较致密，呈灰色或乳白色；染色能力不好，粘贴力中等；      

2、特点    

1）、对合金的疲劳强度影响小；            

2）、可以显露缺陷和晶粒组织；          

3）、对零件尺寸和粗糙度影响小；        

4）、溶液的腐蚀性小；      

3、应用范围        

1）、对疲劳性能要求较高的零件；

2）、对防护性能要求较高的零件。

草酸阳极氧化，1927年，日本的Kujirai和Ueki首先采用草酸电解液阳极氧化，可以得到比铬酸阳极氧化更厚的氧化膜。

1、性能         

膜层厚度0.006~0.039mm，孔隙直径大；         

膜呈灰色至深灰色，可以染色，但成本较高；     

2、特点         

1）电绝缘性最好，浸漆后可耐 300~500伏电压；       

2）膜层耐蚀性好；        

3）阳极化后使零件尺寸加大；    

3、应用范围        

1）要求有较高的电绝缘性能的精密仪器、仪表零件；          

2）要求有较高硬度和良好的耐磨性的仪器、仪表零件。

硫酸阳极氧化，还分普通阳极氧化、硬质阳极氧化和瓷质阳极氧化等，硫酸阳极氧化与草酸和铬酸阳极氧化相比，工作电压更低，电解液成本更小，操作更简单，氧化膜装饰性更强，所以这种工艺很快得到完善和普及。目前95％以上的阳极氧化是在硫酸中进行的，阳极氧化如果没有特别指明，通常是指硫酸阳极氧化。

1、性能

膜厚约为0.003~0.015mm，膜层多孔，孔隙率为35%，膜层脆，不导电，脱水后绝缘性能提高；热辐射能力高；可以有机染料着色，也可以电解着色：

黄、红、蓝、黑、绿、咖啡色； 

2、特点

为了提高耐腐蚀性：孔隙可用四种方法封闭：

1）、重铬酸盐封闭，为黄色，耐蚀性高；

2）、聚合物进行二次封闭，大大提高耐蚀性；

3）、沸水封闭，保持本色；  

4）、高压蒸气封闭；

3、应用范围

1）、铝合金零件防护；

2）、零件着色；

3）、要求光亮外观和一定耐磨性；

4）、含铜量大于4%的铝合金的防护；

5）、形状简单的对接气焊零件；

七、活化

目的：用于扩孔，增加孔隙率，提高下一工序中吸附染料的效果。
阳极氧化后，在着色之前，可用酸液将氧化膜活化，由于酸溶液对阳极氧化铝的化学溶解，可使孔壁从外向内溶解，使孔径扩大，同时可以通过控制活化时间的长短，得到孔径大小不同的氧化铝膜。

八、表调

酸性活化后，铝合金零件孔隙中还残留有酸溶液（特别是工件具有盲孔螺孔等特征），为了防止其对染色的影响，保证染色质量。一般通过超声波振动除酸，使用表调剂（氨基磺酸）置换磷酸和硫酸，保证染色效果。

九、着色

目的是赋予工件外表面颜色，以获得获得绚丽多彩的外观效果。

常用的着色方法有电解整体着色法、电解着色法、化学染色法三种。

1、电解整体着色法，指铝及其合金在阳极氧化的同时被着色，阳极氧化与着色一步完成，色素体存在于整个膜壁中，色素体可以是合金或电解质残留物。电解整体着色包括合金发色、特殊电解液发色和电源波形发色。

电解整体着色法的特点：色素体来自基体金属或电解液中有机物的分解产物，颜色的深浅与膜的厚度有直接关系。因着色膜具有良好的耐光性、耐热性、耐蚀性及耐磨性。其曾广泛用于建筑铝材的装饰，但该法有色种少，色调深暗、成本高、废水处理困难等缺点，且该工艺因需要高的阳极电流密度和高的电压，所以能量消耗大，已被电解着色法取代。

2、电解着色法，也叫二次电解法，是将阳极氧化后的铝及其合金在含有金属盐的水溶液中进行交流电解，金属离子还原生成金属（或金属氧化物）沉积在氧化膜底部,由于沉积物对光的散射作用而呈现各种色彩。在特定的介质下，色泽的深浅由金属离子沉积量来决定，而与氧化膜的厚度无关。

电解着色法的特点：由于电解着色的色素体本身是无机性的，且色素体粒子沉积在膜层孔隙的底部, 所以它耐候性很好, 适用于建筑装潢上的防护装饰；同时也有良好的耐热性和耐蚀性。其能耗与着色成本远低于整体着色法，目前已经广泛用于建筑铝型材的着色。

3、化学着色法，是将经阳极氧化的铝合金浸渍在含有染料的溶液中，由于氧化膜多孔层的吸附作用，染料分子进入空隙显色，所以化学着色也称化学染色。

化学着色法的特点：该法具有工序少、工艺简单、操作性好、成本低、色种多且色泽艳丽、装饰性好等特点。但由于色素体存在于多孔层的表层，故耐光、耐晒、耐磨性不如电解着色，不宜作室外和经常受摩擦零件的表面装饰。

三种着色方法的对比：

十、封孔

封孔处理也叫封闭处理，是阳极氧化工艺路径中的一道主工序，由于未封孔阳极氧化膜具有无数微孔的多孔结构，除了能吸附染色剂颗粒，自然也能吸附其他污渍，因此也具有以下缺点：

①容易附着指纹、污染物，也容易吸附腐蚀性物质，因此耐腐蚀性差；

②容易被阳极氧化溶液污染，发生腐蚀，形成沾染、垂纹、斑点等；

③染料有时溢出，耐光性差；

④因湿度高导致电性能不稳定；

为了保证着色后色彩的鲜艳于稳定，提高其耐蚀性、耐候性，因此需要将孔隙封闭起来。一般阳极氧化膜以及着色氧化膜都要封闭，除非功能性用途的硬氧化膜、磷酸阳极氧化膜、以及其他特殊要求。 

图：阳极氧化膜的微观结构

常见的封孔工艺有：水合封孔、金属盐溶液封孔、漆膜封孔等。

1、水合封孔

分为蒸汽封孔和沸水封孔两种。其中蒸汽封孔的效果比沸水封孔好，但蒸汽封孔尤其是加压蒸汽封孔一般只用于小型制品；使用沸水封孔的场景则更为广泛，适用于一般氧化膜的封闭，特别适合染料着色后的封闭。

其机理如下：水分子与铝基体表面的阳极氧化膜的无水氧化铝发生水合反应，形成氧化铝水合物，由于其体积的膨胀导致微孔被阻塞。

反应式为：Al2O3+H2O→2AlO（OH）→Al2O3·H2O

2、金属盐溶液封孔

金属盐封孔是将工件浸泡在金属盐溶液中发生水解反应产生氢氧化物沉积，将孔隙封闭。如镍盐封孔，

反应式为：Ni（CH3COO）2+2H2O→Ni（OH）2+2CH3COOH

3、漆膜封孔

在阳极氧化膜表面涂上油漆构成复合膜层，相比于较单一的阳极氧化膜，耐蚀性有所提高。目前普遍采用水溶性丙烯酸树脂。漆膜的涂覆方法有：喷漆法（效率低、损耗大、不均匀）、静电喷涂法（均匀性、光亮度、耐划伤性不佳）、浸渍法以及电泳法。

注意：以上着色步骤为可选流程。

阳极氧化处理后，如果铝合金工件不需要着色，可以直接进行封闭，则铝型材维持本色，称为本色阳极氧化；若需要着色，则在着色后封闭；另外，有涂漆要求的产品不进行封闭，例如建筑用铝型材经过阳极氧化和电解着色后，经去离子水清洗即可转入电泳涂漆；硬质阳极氧化膜一般不进行着色和封闭。

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