鋁是一種相對活躍的金屬,其標準電位為-1.66v。它可以在空氣中自然形成一層厚度約為0.01至0.1微米的氧化膜。這種氧化膜是無定形的,薄而多孔,耐腐蝕性差。然而,如果將鋁及其合金置于合適的電解質(zhì)中,以鋁制品為陽極,在外加電流的作用下,表面形成一層氧化膜。這種方法被稱為陽極氧化。
通過選擇不同類型和濃度的電解質(zhì)以及控制氧化過程中的工藝條件,可以獲得不同性能的陽極氧化膜,其厚度約為幾十到幾百微米,等等,都得到了明顯的改善和提高。鋁及鋁合金陽極氧化所用的電解液一般為中等溶解度的酸性溶液,以鉛或鋁為陰極,只起導電作用。當鋁及其合金被陽極氧化時,在陽極會發(fā)生以下反應(yīng)。
2Al —> 6e- + 2Al3+
下列反應(yīng)在陰極發(fā)生。
6H2O +6e–> 3H2 + 6OH-
同時,酸以化學方式溶解鋁和所產(chǎn)生的氧化膜,反應(yīng)為。
2Al + 6H+ —> 2Al3+ +3H2
Al2O3 + 6H+ —> 2Al3+ + 3H2O
氧化膜的生長過程是連續(xù)形成和連續(xù)溶解氧化膜的過程。
第一段a(曲線ab段):無孔層形成。在通電之初的幾秒到幾十秒內(nèi),鋁的表面立即形成一層具有高絕緣性能的致密氧化膜,厚度約為0.01-0.1微米,這是一個連續(xù)的無孔薄膜層,稱為 作為無孔層或障礙層,這層薄膜的出現(xiàn)阻止了電流的通過和膜層的繼續(xù)增厚。無孔層的厚度與形成電壓成正比,與氧化膜在電解質(zhì)中的溶解率成反比。因此,曲線ab段的電壓顯示出從零到最大值的急劇增加。
第二段b(曲線段bc):多孔層的形成。隨著氧化膜的形成,電解液對薄膜的溶解作用開始。由于形成的氧化膜不均勻,在膜的最薄部分會先溶解出孔洞,電解液可以通過這些孔洞到達鋁的新鮮表面,電化學反應(yīng)可以繼續(xù),電阻降低,電壓隨之下降(最高值的10-15%),膜上出現(xiàn)多孔層。
第三段c(曲線cd段):多孔層變厚。在陽極氧化約20s后,電壓進入一個相對穩(wěn)定和緩慢上升的階段。這說明在無孔層不斷溶解形成多孔層的同時,新的無孔層又在不斷生長,也就是說,氧化膜中無孔層的形成速度和溶解速度基本達到了平衡,所以無孔層的 厚度不再增加,電壓變化很小。但是,孔底的氧化膜的形成和溶解并沒有在這個時候停止,它們還在繼續(xù),結(jié)果,孔底逐漸向金屬基體內(nèi)部移動。隨著氧化時間的延續(xù),孔洞加深形成孔隙,帶有孔隙的膜層逐漸變厚。當成膜率和溶解率達到動態(tài)平衡時,即使延長氧化時間,氧化膜的厚度也不會增加,這時應(yīng)停止陽極氧化工藝。陽極氧化的特征曲線和氧化膜的生長過程如下圖所示。在稀硫酸電解液中用直流電和交流電對鋁及其合金進行陽極氧化,可獲得無色透明的氧化膜,其厚度為5-20微米,吸附性好。
硫酸陽極氧化工藝簡單,溶液穩(wěn)定,操作方便,允許的雜質(zhì)含量范圍廣,電耗低,成本低,幾乎適用于鋁及各種鋁合金的加工,所以在我國得到了廣泛的應(yīng)用。
?