Полное руководство по анодированию алюминия: от принципов, распространенных дефектов до анализа процесса заделки отверстий

1. Введение

Толщина оксидной пленки, образуемой алюминиевым сплавом в естественных условиях, составляет всего 0,01～0,1 мкм, что недостаточно для защиты и не может удовлетворить требованиям коррозионной стойкости, износостойкости и декоративных свойств для инженерных применений. Анодное окисление в настоящее время является наиболее широко используемой технологией укрепления поверхности алюминиевых сплавов, в результате электрохимической реакции на поверхности алюминиевой подложки образуется слой пленки триоксида алюминия (Al₂O₃). Пленочный слой прочно связан с подложкой, обладает высокой твердостью, может быть окрашен и запечатан благодаря своей пористой структуре.

Однако в реальном производстве часто возникают такие дефекты, как белесая пленка, меление, глубокие следы от зажима и частичное отсутствие пленки. Причины этих проблем связаны с множеством переменных, таких как состав сплава, качество предварительной обработки, параметры электролита, метод зажима и технические условия эксплуатации. Данная статья основана наСернокислотное анодированиеВ основной части, со ссылкой на "Вопросы и ответы по обработке поверхности алюминиевых сплавов окислением" (под редакцией Чжэн Жуйтина) и библиотеку примеров неудач в отрасли, систематически объясняется принцип процесса, контроль параметров, анализ дефектов и решения.

2、 Принцип анодного окисления и классификация процессов

2.1 Реакционный механизм анодирования

Анодирование - это процесс помещения алюминиевой заготовки в раствор электролита в качестве анода и подачи постоянного тока, при котором на поверхности анода одновременно происходят две реакции:

• реакция пленкообразования: Алюминий соединяется с кислородом, осажденным на аноде, и образует Al₂O₃;
• реакция растворения: Электролит (в случае серной кислоты) растворяет образовавшийся Al₂O₃.

Конечная толщина и структура пленки зависит от баланса между скоростью образования пленки и скоростью растворения. Пленка, образующаяся в результате сернокислотного анодирования, представляет собой ячеистую пористую структуру с размером пор около 0,01-0,03 мкм и пористостью около 20%-30%, которая является основой для последующего процесса окрашивания и герметизации.

2.2 Сравнение трех основных процессов анодирования

Тип процесса	электролит	Диапазон толщины пленки	особенности	типичное применение
Анодирование хромовой кислотой	3%～10% Хромовая кислота	5～8μm	Тонкий слой пленки сохраняет точность заготовки; размеры не изменяются	Прецизионные детали, сварные детали, детали аэрокосмических конструкций
Сернокислотное анодирование	10% - 20% Серная кислота	8～25μm	Высокая прозрачность, низкая стоимость, окрашиваемая пленка	Потребительская электроника, строительные материалы, товары повседневного спроса
Твердое анодирование	Серная кислота + органическая кислота	25～150μm	Высокая твердость (HV300～600), износостойкость, изоляция	Цилиндры, гидравлические детали, военное оборудование

3, Процесс предварительной обработки

Качество предварительной обработки напрямую влияет на однородность, сцепление и внешний вид анодной оксидной пленки. Дефекты, возникшие в результате неполной предварительной обработки или неправильных методов, не могут быть устранены после оксидирования.

3.1 Критерии приемки заготовок

• Различные марки алюминиевого сплава не должны смешиваться с висячими. 2 серии (алюминий-медь), 7 серии (алюминий-цинк) и 5 серии (алюминий-магний), 6 серии (алюминий-магний-кремний) сплавов в тех же параметров электролиза скорость окисления значительные различия в той же обработки канавки, скорее всего, приведет к выборочному окислению, фильм цвет разница.
• Линии сдавливания, царапины и первоначальные коррозионные ямы трудно полностью устранить при предварительной обработке, а после оксидирования дефекты будут увеличиваться и проявляться. Качество поверхности следует контролировать на этапе обработки.

3.2 Механическая отделка

• пескоструйная обработка: Удалите окисленную кожу, литую кожу, получите равномерный эффект песчаной поверхности. Высокая активность поверхности после пескоструйной обработки, необходимо ввести в процесс окисления в течение 4 часов, чтобы избежать вторичного окисления или загрязнения.
• Шлифовка/полировка: После зеркальной полировки, если время предварительного щелочного травления недостаточно, слой остаточного напряжения или плотная оксидная пленка приведут к вспучиванию оксидной пленки. Полировальная паста должна быть тщательно обезжирена.

3.3 Предварительная химическая обработка

обезжиренное (молоко)Рекомендуется использовать нейтральный или слабый щелочной обезжиривающий агент, температура 50 ~ 70 ℃, время 3 ~ 5 мин. обезжиривание не является чистым является основной причиной цветения пленки, снижение адгезии.

щелочная эрозия: 10% ~ 15% раствор гидроксида натрия, температура 50 ~ 60 ℃, время 1 ~ 3 мин. щелочного травления может удалить естественную оксидную пленку и незначительные дефекты поверхности, так что субстрат, чтобы выявить однородную организацию металла. Концентрация ионов алюминия в щелочном растворе травления должна контролироваться на 30～50g/L, более 80g/L, когда скорость щелочного травления уменьшается, поверхность легко висит золы.

отблеск (света): 20%～30% Раствор азотной кислоты, комнатная температура, время 1～3мин. удаляет серую пленку (алюминий, кремний, железо и другие соединения), оставшуюся после щелочного травления.

Специальная обработка - высококремнистый алюминиевый сплав: Силикатный дым остается на поверхности алюминиево-кремниевых сплавов (литого алюминия) после щелочного травления и трудно удаляется обычной полировкой азотной кислотой. Необходимо использоватьСмесь азотной кислоты, содержащая плавиковую кислоту 5%(Азотная кислота 30%, Фтористоводородная кислота 5%, Вода 65%), обработка при комнатной температуре в течение 30-60 с, до получения однородной серебристо-белой поверхности.

4、 Процесс сернокислотного анодирования

На долю сернокислотного анодирования приходится более 80% всех промышленных применений. Оно имеет широкое технологическое окно, низкую стоимость, высокую прозрачность пленки и подходит для изделий с высокими требованиями к окрашиванию и защите.

4.1 Критерии контроля параметров процесса

параметры	Рекомендуемый объем	предельный диапазон	Последствия отклонения
Концентрация серной кислоты	15% - 20%	10% - 25%	При низкой концентрации образуется тонкий слой пленки, при высокой - быстрое растворение и рыхлый слой.
Концентрация ионов алюминия	5～15g/L	<20 г/л	При содержании более 20 г/л слой пленки становится серым, а коррозионная стойкость снижается.
Температура в резервуаре	18-22°C	15-25°C	＞25℃ слой пленки рыхлый, порошок; <15℃ слой пленки плотный, но хрупкость увеличилась
плотность тока	1.2～1.5A/дм²	0.8～2.0A/дм²	Слишком высокая температура вызывает выгорание; слишком низкий слой пленки тонкий, низкая эффективность производства
время окисления	30-60 мин	Требования к толщине сетчатки	Недостаточная толщина пленки из-за недостаточного времени; чрезмерное удлинение приводит к увеличению размера пор и снижению силы сцепления
концентрация Cl-	≤25 мг/л	≤50 мг/л	Превышение стандартов приводит к точечной коррозии, перфорации

4.2 Требования к качеству воды

Необходимо использовать жидкость для баков для анодирования и всех баков для очисткидеионизированная вода或дистиллированная вода. Содержание Cl- в водопроводной воде обычно составляет 50-200 мг/л, и прямое использование запускает процесс анодного окисленияточечная коррозия-На поверхности оксидной пленки появляются точечные черные пятна, которые в тяжелых случаях проникают через слой пленки на подложку. Удельное сопротивление воды должно контролироваться на уровне ≥5×10⁴Ω-см.

4.3 Технология зажима и токопроводящая конструкция

• зона контакта: Точка контакта между приспособлением и заготовкой должна составлять ≥ 1/200 площади поверхности заготовки. недостаточная площадь контакта приведет к чрезмерной плотности локального тока и накоплению тепла Джоуля, что приведет к пожелтению слоя пленки, плавлению и ожогам в случае серьезной травмы.
• Выбор материала: Приспособление должно быть изготовлено из чистого алюминия или алюминиево-магниевого сплава, аналогичного материалу обрабатываемой детали. Строго запрещается использовать медь, железо приспособление прямой контакт, ионы меди загрязняют бак жидкости сделает оксидной пленки темной.
• Угол подъема: Заготовку следует держать в резервуаре наклонно или вертикально, при этом отверстие внутренней полости профиля должно быть обращено вниз или наклонно, чтобы пузырьки кислорода, образующиеся в процессе окисления, могли беспрепятственно выходить. Вложенные газовые детали не имеют пленки или имеют очень тонкий слой пленки из-за газовой изоляции, называемойдефект воздушного экрана.
• Повторное использование приспособлений: Обесцвечивание приспособления должно быть тщательным. Сопротивление на остаточной оксидной пленке возрастает, затрудняя прохождение тока, и область заготовки вблизи места зажима будет выглядеть частично лишенной пленки.

4.4 План производства летнего тепла

Анодное окисление является экзотермической реакцией, и температура ванны зависит от окружающей среды и текущего выделения тепла. Если температура ванны превышает 25℃ и отсутствует холодильное оборудование, скорость растворения оксидной пленки резко возрастает, а слой пленки становится рыхлым и порошкообразным. Временные меры включают:

• увеличитьщавелевая кислота C2H2O4от 1,5% до 2,0% илигамма-тризойная кислота0.5%～1.0%, что может увеличить верхний предел термостойкости жидкости в резервуаре до 35℃, но это уменьшит прозрачность слоя пленки;
• Увеличьте интенсивность перемешивания и используйте сжатый воздух или циркуляцию насоса для ускорения отвода тепла;
• Серийное производство позволяет избежать длительных периодов непрерывной работы с высокой нагрузкой.

5、 Анализ основных причин распространенных дефектов и их устранение

В этом разделе используется трехкомпонентная структура “Явления - причины - меры”, включающая 12 наиболее распространенных дефектов при производстве сернокислотного анодирования.

5.1 Пожелтение и поседение слоя пленки

безнаказанность: Окисленная пленка имеет желтый, серый или темный цвет с пониженной прозрачностью.
обоснование::

1. Если основной материал алюминиевого сплава содержит медь > 3% и кремний > 7%, легирующие элементы образуют в оксидной пленке соединения, которые делают пленку серой;
2. Железо в электролите >200 мг/л, кремний >100 мг/л, примеси, оседающие в порах мембраны;
3. Слишком высокая концентрация серной кислоты, слишком высокая скорость растворения, рыхлая структура пленки и повышенное светорассеяние.
   контрмеры::

• Для сплавов с высоким содержанием меди и кремния используются источники питания постоянного/переменного тока или специальные составы электролитов;
• Жидкость в резервуаре регулярно очищается, а примеси железа могут быть удалены с помощью электролитической обработки при низкой плотности тока;
• Контролируйте верхний предел концентрации серной кислоты.

5.2 Мел, разрыхление, отслаивание пленки

безнаказанность: Поверхность оксидной пленки порошкообразная, при растирании пальцами отходит белый порошок, в тяжелых случаях слой пленки отслаивается.
обоснование::

1. Температура в резервуаре превышает 28°C и держится долгое время;
2. Плотность тока > 2,0 А/дм² при недостаточном перемешивании;
3. Чрезмерное увеличение времени окисления и растворение внешнего слоя пленки превышает время генерации;
4. Концентрация ионов алюминия >25 г/л, старение резервуара.
   контрмеры::

• Принудительное охлаждение обеспечивает поддержание температуры жидкости в резервуаре на уровне ≤24°C;
• Уменьшите плотность тока до 1,2-1,5 А/дм²;
• После окисления каждая партия анализируется на содержание ионов алюминия, и в случае превышения предельного уровня ванна разбавляется или частично заменяется;
• Меловой слой пленки не подлежит восстановлению, его необходимо удалить и нанести заново.

5.3 Локальное отсутствие пленки, темные пятна

безнаказанность: Локальные участки заготовки без оксидной пленки или с очень тонкой пленкой с темными пятнами.
обоснование::

1. Оксидная пленка в месте контакта между приспособлением и заготовкой не удаляется, и сопротивление контакта высокое;
2. Ослабление зажима и прерывание тока процесса оксидирования;
3. Во внутренней полости профиля находится газ, который экранирует ток;
4. Состав сплава сильно сегрегирован, с высоким сопротивлением в зоне с высоким содержанием кремния.
   контрмеры::

• Для полного раскрытия металлического блеска вешалки обрабатываются азотной кислотой или специальным раствором для деколирования;
• Проверьте затяжку после зажима и при необходимости используйте пружинные зажимы;
• Отрегулируйте направление подвеса, чтобы обеспечить свободный путь выхода газа.

5.4 Горение, плавление, опаление

безнаказанность: На отдельных участках заготовки появляются черные пятна, ямки или даже оплавление подложки.
обоснование::

1. Точка контакта между приспособлением и заготовкой слишком мала, а плотность тока локально >5 А/дм²;
2. Заготовка находится слишком близко к катоду или коротко замкнута;
3. Плохое перемешивание в резервуаре и прикрепление пузырьков приводят к искажению распределения плотности тока.
   контрмеры::

• Увеличенная площадь контакта с крепежом и многоточечный зажим;
• Расстояние между катодом и заготовкой должно составлять ≥ 150 мм;
• Предварительное окисление заготовок путем подачи на них напряжения перед помещением в резервуар для предотвращения первоначального удара током.

5,5 Точечная коррозия, черные пятна

безнаказанность: Распространение точечных черных пятен на поверхности оксидной пленки, микроскопически выглядящих как ямки травления.
обоснование::

1. Повышенное содержание Cl- в жидкости бака или промывочной воде;
2. В середине процесса анодирования отключается электричество, и заготовка остается в агрессивном моющем растворе слишком долго;
3. Недостаточная промывка после предварительного травления, остатки кислоты попадают в бак для окисления.
   контрмеры::

• Строгое использование деионизированной воды и еженедельное тестирование раствора Cl- в резервуаре;
• Заготовку следует снять сразу после отключения питания, промыть водой и снова повесить;
• После предварительной обработки добавляется третичный противоточный ополаскиватель.

5.6 Отпечатки пальцев, жирные пятна

безнаказанность: На поверхности оксидной пленки четко видны отпечатки пальцев или контуры масла.
обоснование::

1. После предварительной обработки и перед оксидированием прикасайтесь к заготовке голыми руками;
2. Сжатый воздух содержит масло;
3. Поверхность подвесок смазана маслом.
   контрмеры::

• Во время работы операторы надевают чистые нейлоновые перчатки;
• Линия сжатого воздуха оснащена водомасляным сепаратором;
• Вешалки регулярно обезжириваются.

6. процесс окрашивания и герметизации

6.1 Выбор метода окрашивания

Метод окрашивания	теория	особенности	сценарий применения
Органическое крашение	Адсорбция молекул красителя на порах мембраны	Яркие цвета и широкий цветовой охват	Украшение интерьера, мелкая фурнитура
Электролитическое окрашивание	Осаждение солей металлов на дно поры	Отличная устойчивость к атмосферным воздействиям	Архитектурные навесные фасады, автомобильная отделка
Общая окраска	Разработка цвета легирующих элементов	Небольшая разница в цвете, высокая стоимость	Высококачественная электроника

технический моментПеред окрашиванием оксидная пленка должна быть свежей (≤30 мин между окрашиванием и выгрузкой из печи), толщина пленки должна быть ≥10 мкм, а значение pH, температура и концентрация красящего раствора должны строго контролироваться в соответствии с параметрами, предоставленными поставщиком красителя.

6.2 Необходимость герметизации отверстий

Негерметичная анодная оксидная пленка пористостью около 20% ~ 30%, подвергающаяся воздействию атмосферы, будет адсорбировать загрязняющие вещества, влагу и соль, срок службы коррозионной стойкости составляет всего 1/10 ~ 1/20 от герметичной пленки.

Сравнение основных процессов герметизации::

декоративно-прикладное искусство	средний	температура	раз	пригодность
уплотнение горячей воды	деионизированная вода	95-100°C	15-30 мин	Все анодированные серной кислотой пленки
Среднетемпературное уплотнение	Раствор ацетата никеля	60～80℃	10-20 мин	Красящая пленка, энергосберегающие сцены
холодное уплотнение	Раствор фторида никеля	25-35°C	5-10 мин	Высокие требования к производительности

Проверка качества уплотнительных отверстий: Используя метод точечного окрашивания (GB/T 8753.2), плохо запечатанный участок может быть окрашен красителем.

7、FAQ：Производство высокочастотных проблем методом анодного окисления

1. Вопрос: Почему цвет моих алюминиевых деталей после анодирования становится тусклым?

О: Возможные причины расположены в порядке убывания -

• Отключение питания или колебания тока в середине процесса окисления;
• Низкий pH (остаточная кислота) в резервуаре для окончательной мойки;
• Содержание Cl- в очищаемой воде >50 мг/л;
• Подложка содержит медь > 4% или кремний > 8%;
• Концентрация ионов алюминия в резервуаре >20 г/л.

2. Q. По какой причине оксидная пленка отпадает, когда я прикасаюсь к ней рукой?

О: Этопищевая сода (используется для разрыхления хлеба)Типичные причины: температура резервуара >28°C в течение более 30 минут или плотность тока >1,8A/дм² при недостаточном перемешивании. Это легко происходит при отсутствии холодильного оборудования в летний период. Временные меры борьбы: добавьте 1,5% щавелевой кислоты, уменьшите плотность тока до 1,0A/дм², увеличьте время окисления, чтобы восстановить толщину пленки.

3. Q. Можно ли оксидировать в одной ванне алюминиевые сплавы разных марок?

Ответ:не рекомендуетсяСуществует большая разница в окне потенциала окисления между сплавами 2-й и 7-й серий и сплавами 5-й и 6-й серий. При обработке в одном и том же резервуаре сплавы с высоким потенциалом (например, 6063) имеют преимущество в образовании пленки, а сплавы с низким потенциалом (например, 2024) отстают в образовании пленки, и разница в толщине пленки может достигать 5 мкм и более, что сопровождается разницей в цвете. Должна быть одна и та же канавка, должна быть выбрана с помощью импульсной мощности или фазированного тока.

4. Q. Какой процесс выбран для получения ярко-красного цвета после окисления?

A: Внутренние изделия: окрашивание органическими красителями, рекомендуемые антрахиноновые красные красители, pH 5.5-6.0, температура 50-55°C, время окрашивания 5-15 мин. Наружные изделия: электролитическое окрашивание, оловянная соль или оловянно-никелевая смешанная солевая система, можно получить бордово-красные тона, степень устойчивости к УФ-излучению до ISO 2810 Class 5.

5. Q. Можно ли использовать водопроводную воду в качестве раствора для анодирования?

Ответ:абсолютный запрет. Концентрация Cl- в водопроводной воде составляет 50~200 мг/л, более 25 мг/л вызывает точечную коррозию. Вода, используемая для анодирования и очистки до и после всех процессов, должна быть деионизированной или дистиллированной водой с проводимостью ≤20 мкСм/см.

6. Q. После запечатывания отверстий на поверхности оксидной пленки остается белая пыль, как ее удалить?

A: Белая зола при уплотнении возникает из-за высокой жесткости воды при уплотнении горячей воды или рН жидкости в резервуаре для холодного уплотнения > 6,5:

• Герметизация горячей водой: Используйте деионизированную воду и добавьте 0,5%～1% герметика и агента для подавления пыли;
• Белый пепел был получен: 5% ~ 10% азотной кислоты замочить при комнатной температуре в течение 30-60 с, промыть водой и повторно запечатать отверстие.

8. Заключение: от внедрения процесса к стабилизации качества

Анодное оксидирование алюминиевых сплавов - это систематический проект с многопроцессной и многопараметрической связью. По результатам полевого исследования 32 предприятий анодирования в Китае.80% или более случаев нарушения качества, вызванных отклонениями в выполнении технологической дисциплиныа не из-за недостаточной технической компетентности.

Для достижения стабильного качества необходимы три основные системы:

1. Журнал учета анализа жидкости в резервуаре: Ежедневные тесты на концентрацию серной кислоты, концентрацию ионов алюминия, концентрацию Cl- и еженедельные тесты на содержание примесей железа и меди;
2. Правила управления вешалками: Прослеживаемость всего процесса раскоксовки, ремонта и утилизации подвесок;
3. Проверка первой статьи: Полный контроль размеров и внешнего вида оксидированных деталей в первой канавке каждой смены перед серийным производством.

В процессе анодирования не существует коротких путей. Постоянный контроль температуры, качества воды, зажима и примесей - единственный путь от “95% pass rate” до “99.5% pass rate”.