铝是一种相对活跃的金属,其标准电位为-1.66v。它可以在空气中自然形成一层厚度约为0.01至0.1微米的氧化膜。这种氧化膜是无定形的,薄而多孔,耐腐蚀性差。然而,如果将铝及其合金置于合适的电解质中,以铝制品为阳极,在外加电流的作用下,表面形成一层氧化膜。这种方法被称为阳极氧化。
通过选择不同类型和浓度的电解质以及控制氧化过程中的工艺条件,可以获得不同性能的阳极氧化膜,其厚度约为几十到几百微米,等等,都得到了明显的改善和提高。铝及铝合金阳极氧化所用的电解液一般为中等溶解度的酸性溶液,以铅或铝为阴极,只起导电作用。当铝及其合金被阳极氧化时,在阳极会发生以下反应。
2Al —> 6e- + 2Al3+
下列反应在阴极发生。
6H2O +6e–> 3H2 + 6OH-
同时,酸以化学方式溶解铝和所产生的氧化膜,反应为。
2Al + 6H+ —> 2Al3+ +3H2
Al2O3 + 6H+ —> 2Al3+ + 3H2O
氧化膜的生长过程是连续形成和连续溶解氧化膜的过程。
第一段a(曲线ab段):无孔层形成。在通电之初的几秒到几十秒内,铝的表面立即形成一层具有高绝缘性能的致密氧化膜,厚度约为0.01-0.1微米,这是一个连续的无孔薄膜层,称为 作为无孔层或障碍层,这层薄膜的出现阻止了电流的通过和膜层的继续增厚。无孔层的厚度与形成电压成正比,与氧化膜在电解质中的溶解率成反比。因此,曲线ab段的电压显示出从零到最大值的急剧增加。
第二段b(曲线段bc):多孔层的形成。随着氧化膜的形成,电解液对薄膜的溶解作用开始。由于形成的氧化膜不均匀,在膜的最薄部分会先溶解出孔洞,电解液可以通过这些孔洞到达铝的新鲜表面,电化学反应可以继续,电阻降低,电压随之下降(最高值的10-15%),膜上出现多孔层。
第三段c(曲线cd段):多孔层变厚。在阳极氧化约20s后,电压进入一个相对稳定和缓慢上升的阶段。这说明在无孔层不断溶解形成多孔层的同时,新的无孔层又在不断生长,也就是说,氧化膜中无孔层的形成速度和溶解速度基本达到了平衡,所以无孔层的 厚度不再增加,电压变化很小。但是,孔底的氧化膜的形成和溶解并没有在这个时候停止,它们还在继续,结果,孔底逐渐向金属基体内部移动。随着氧化时间的延续,孔洞加深形成孔隙,带有孔隙的膜层逐渐变厚。当成膜率和溶解率达到动态平衡时,即使延长氧化时间,氧化膜的厚度也不会增加,这时应停止阳极氧化工艺。阳极氧化的特征曲线和氧化膜的生长过程如下图所示。在稀硫酸电解液中用直流电和交流电对铝及其合金进行阳极氧化,可获得无色透明的氧化膜,其厚度为5-20微米,吸附性好。
硫酸阳极氧化工艺简单,溶液稳定,操作方便,允许的杂质含量范围广,电耗低,成本低,几乎适用于铝及各种铝合金的加工,所以在我国得到了广泛的应用。