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氧化怎么造成的(一张图告诉你氧化的原理)

100次浏览     发布时间:2024-12-14 10:13:05    



为了克服铝合金表面硬度、耐磨损性等方面的缺陷,扩大应用范围,延长使用寿命,表面处理技术成为铝合金使用中不可缺少的一环,而阳极氧化技术是应用最广且最成功的。


阳极氧化(anodic oxidation),金属或合金的电化学氧化。铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下,由于外加电流的作用下,在铝制品(阳极)上形成一层氧化膜的过程。阳极氧化如果没有特别指明,通常是指硫酸阳极氧化


硫酸阳极氧化

(一)特性(与草酸、铬酸相比)

1、溶液稳定

2、允许杂质含量范围大

3、电能消耗少

4、操作方便

5、成本低

6、要求温度低,须冷冻

(二)工艺参数及操作条件

H2SO4:10%-20% 160-200g/L

AL3+:3-15g/L

温度:视具体情况而定,15°C-26°C

电压:是具体情况而定,6/8/10/13/15/17V

时间:视具体情况而定,10-50min

搅拌:压缩空气搅拌

电源:直流电/交流电


从氧化膜角度出发

从这个定义出发的铝的阳极氧化,只包括生成阳极氧化膜这一部分工艺过程。


将金属或合金的制件作为阳极,采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金属氧化物薄膜改变了表面状态和性能,如表面着色,提高耐腐蚀性、增强耐磨性及硬度,保护金属表面等。铝阳极氧化,将铝及其合金置于相应电解液(如硫酸、铬酸、草酸等)中作为阳极,在特定条件和外加电流作用下,进行电解。阳极的铝或其合金氧化,表面上形成氧化铝薄层 ,其厚度为5~30微米,硬质阳极氧化膜可达25~150微米


小结:阳极氧化膜的性质

①氧化膜结构的多孔性

②氧化膜的耐磨性

③氧化膜的抗蚀性

④氧化膜的电绝缘性

⑤氧化膜的绝热性

⑥氧化膜的结合力

⑦氧化膜的硬度高

⑧氧化膜的装饰性


氧化膜的影响因素:

1、硫酸浓度

当其他条件不变时,提高硫酸浓度,氧化膜的生长速度减慢,这是由于生长中的氧化膜在较浓的硫酸溶液中溶解速度加快的结果。若硫酸浓度太低,导电性下降,其氧化时间就要延长;硫酸的浓度升高,有利於多孔膜的生成,该膜的弹性好,吸附力强;易获得防护装饰性氧化膜,硫酸浓度多利用上限,即20%的H2SO4,为了获得硬而厚的耐磨氧化膜,应选用较稀的硫酸溶液,通常利用10%-15%的H2SO4。

2、温度

一般情况下,电解液温度控制比较严格,有的需用保持在土1℃范围内,溶液温度高,氧化膜溶解速度大,生成的速度减小,生成的膜疏松。若温度过低,氧化膜发脆易裂。当控制温度在18-22℃时,得到的氧化膜多孔,吸附性强,富有弹性,抗蚀性好,但耐磨性较差

3、电压

电压过高,氧化膜生长速度提高,孔隙增多,易染色,硬度和耐磨性提高;电压过低,生成氧化膜的速度慢,膜层较致密。

4、氧化时间

根据硫酸浓度,溶液温度、电压,膜厚而定,其他条件不变,时间越长,膜厚越厚,但达到一定厚度时,膜厚将不会增加(即膜的溶解速度与生长速度相等)。

5、杂质离子

可能存在的杂质离子:CL-、F-、NO3-、AL3+、CN2+、Fe2+、Si2+等A、CL-、F-、NO3-等阴离子含量高时,氧化膜孔隙增加表面粗糙、疏松。

CL-<0.05g/L F-<0.01g/L

B、AL3+、CN2+、Si2+主要影响氧化膜色泽,透明度和抗蚀性。


氧化后的铝合金

阳极氧化后的铝或其合金,提高了其硬度和耐磨性,可达250~500千克/平方毫米,良好的耐热性 ,硬质阳极氧化膜熔点高达2320K,优良的绝缘性,耐击穿电压高达2000V,增强了抗腐蚀性能 ,在ω=0.03NaCl盐雾中经几千小时不腐蚀。


氧化膜薄层中具有大量的微孔,可吸附各种润滑剂,适合制造发动机气缸或其他耐磨零件;膜微孔吸附能力强可着色成各种美观艳丽的色彩。有色金属或其合金(如铝、镁及其合金等)都可进行阳极氧化处理,这种方法广泛用于机械零件,飞机汽车部件,精密仪器及无线电器材,日用品和建筑装饰等方面。


多孔膜形成的过程:

1.阳极氧化初期,电流密度一般均超出临界电流密度,形成均匀的壁垒型膜

2.壁垒型膜逐渐成长。当电流密度低于临界值时,铝离子不能再形成新膜物质,膜的表面暴露在电解液中受到浸蚀

3.进一步阳极氧化,溶液对膜的浸蚀变得不均匀

4.形成的空洞之间存在发展竞争。这种发展有“自催化”作用

5.发展较快的空洞(主空洞)在向膜深处和横向发展

6.主空洞继续沿纵向和横向发展,相邻主空洞之间互相靠近,主空洞之间的小空洞停止生长

7.空洞停止横向发展,仅沿纵向深入,孔径固定。此时,空洞的产生及发展阶段结束,阳极氧化进入稳态阶段


氧化原理详解

阳极氧化(ElectrochemicalOxidation)是一种利用电解质根据电荷平衡原理,在电极表面发生的氧化还原反应的化学方法,是利用电解的方法,将受氧物质氧化、击碎成极其微细的碎片,最后形成一个均匀的稀薄膜过程。它是有机物、金属和非金属的溶液被氧化成氧化物的一种反应。


阳极氧化原理主要有以下几点:

1、利用电子传输原理,将电子从阳极流到阴极,把原来的物质(有机物)氧化为有机氧化物,最终污染物被氧化成稀薄的悬浮物或溶解物;

2、电子转移过程中,氧化还原反应同时发生,氧化物被阴极还原为原来的物质,同时阳极出现氧化物,最终形成表面均匀的膜;

3、去除污染物过程中,被氧化的物质会被还原成氢氧化物或碳氧化物,并被阴极迅速吸收;

4、电极表面发生的氧化还原反应,可以有效减少有害物质的浓度,最终污染物被电解质分解,获得的清洁水比原有的水更加清澈。


阳极氧化机理:

1、电极反应:

①阳极:H2O-2E→2H++[O];2AL+3[3O]→AL2O3+1670.5J

②阴极:2H++2E→H2↑

③膜的溶解:AL2O3+3H2SO4=AL2(SO4)3+3H2O


H2SO4物理性质:

1、98.3%的浓H2SO4,是无色粘稠状液体,沸点338度,是一种难挥发性的酸

2、化学性质:①强酸性②易与活泼金属反应③浓H2SO4具有吸水性,结合水后放出大量的热,常温下,浓H2SO4遇铁、铝合金发生钝化。


氧化膜的生长过程:

总体来说包含以下两个方面:①膜的生成过程②膜的电化学溶解过程



A.通电瞬间,氧和铝有很大亲和力,铝基材迅速形成一层致密无孔的阻挡层,其厚度取决于槽电压。

B.由于氧化铝原子体积大,故发生膨胀,阻挡层变得凹凸不平,造成电流分布不均匀,凹处电阻小,电流大,凸处相反。

C.凹处在电场作用下发生电化学溶解以及H2SO4的化学溶解,凹处逐渐变成孔穴,处变成孔壁,阻挡层向多孔层转移。

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