陽化處理疑問

dong-666

大俠們借問下，陽極處理是不是只有鋁、鎂合金可以做，別的鐵、鋼、銅和鉛什么的可不可以呀。

kai6929

（Anodizing）
阳极处理是化成皮膜（Conversion Coating）技术的一种，根据ASTM的定义化成皮膜指的是利用化学或电化学处理，使金属表面生成一种含有该金属成份的皮膜层，例如锌的铬酸盐皮膜处理，钢铁的磷酸盐皮膜处理，铝合金的阳极处理等，欲施行化成皮膜处理的金属，其形成的化合物或氧化物必须不具水溶性，同时也不是粉状物，亦即必须是连续皮膜。此单元完全以常见的铝阳极处理为讨论对象。
  
1.阳极处理的目的与应用
一般铝合金很容易氧化，氧化层虽有一定钝化作用，但长期曝露之结果，氧化层仍会剥落，丧失保护作用，因此阳极处理的目的即利用其易氧化之特性，藉电化学方法控制氧化层之生成，以防止铝材进一步氧化，同时增加表面的机械性质。另一目的是，藉不同化成反应，产生各种色泽（发色）增进美观。铝合金阳极处理应用广泛，飞机蒙皮、军事武器、影印机抄纸滚桶、建筑物铝帷幕、铝门窗等。
  
2.制程
于电解槽中，将金属（如铝或铝合金）工件置于阳极，施加一定电压与电流，促使工件表面形成附着良好的氧化层。简要而言，发生下述反应；
阳极：Me ＋ XH2O → MeOX ＋ 2XH＋ ＋ 2Xe－
阴极：H2O ＋ e－ → 1/2H 2＋ OH－
一般而言，阳极处理工程流程例如下：
工件 → 脱脂（Ⅰ） → 水洗 → 化学光泽（Ⅱ） → 水洗 → 脱渍（Ⅲ） → 水洗 → 阳极处理 （Ⅳ） → 水洗 → 封孔（Ⅴ） → 水洗 → 干燥
上述流程中，主要步骤的化学溶液如下：
（Ⅰ）有抑制剂之热碱洗液，60~70℃
（Ⅱ）H3PO4＋HNO3溶液，88~110℃
（Ⅲ）25~35％HNO3，常温
（Ⅳ）15％H2SO4，21~25℃
（Ⅴ）100℃H2O
  
3.阳极处理电解液
铝合金阳极处理使用的电解液有很多种，每一种电解液的主要化学成份不同，经其处理后的皮膜组织不同，性质也因之有所差异；有些场合即以电解液归类制程。文献资料有很多不同的配方例，以下每一种仅举一例，但并非仅有此种配方。
  
i）硫酸液
例如Alumilite制程含15~20％硫酸，电压是14~22伏特，电流密度是1~2A/dm2，操作温度18~25℃，处理时间10~60分钟，皮膜厚度3~35μm，皮膜呈无色透明。
硫酸液制程所得皮膜抗蚀性良好，而且抗磨耗性佳，此制程若将操作温度降至5℃以下，硫酸浓度降至7％左右，处理电压提高至23~120伏特，可以长时间处理以获得厚至200μm以上的硬质阳极皮膜，应用于需耐磨耗的场合。
ii）铬酸液
例如含5~10％铬酸，电压是40伏特，电流密度是0.15~0.30A/dm2，操作温度35℃，处理时间30分钟，所得皮膜约2~3μm，皮膜呈灰色或灰绿色，具有良好的抗蚀性，但耐磨耗性较差，在应用上方能不需封孔。
  
iii）草酸液
例如Eloxal GX制程含3~5％草酸，电压是40~60伏特，电流密度是1~2A/dm2，操作温度18~20℃，处理时间40~60分钟，皮膜呈黄色，厚度10~65μm，此制程成本高于硫酸液制程。操作温度可以降至3~5℃，经长时间处理以获得厚达625μm的皮膜。草酸液的色泽较多样化。
  
iv）磷酸液
例如含10％磷酸，电压是10~12伏特，电流密度较不定，操作温度23~25℃，处理时间20~30分钟，皮膜呈无色，厚度1~2μm；磷酸液处理之皮膜孔隙较大，适于后续电镀。
以上四种电镀液较常用，其原因是，这四种电解液中形成皮膜时，实际上有一定的孔隙，允许铝持续溶出以形成皮膜，同时其皮膜具有一定的溶解度，因此皮膜可以持续成长至其溶解速度与成长速度相等为止，但是，它种电解液如硼酸液，酒石酸液等，其生成的皮膜很致密，不易再允许铝经由电解溶出，因之仅能形成很薄的皮膜。
  
4.阳极处理皮膜形成机构
图表 1是阳极处理皮膜的扫描式电子显微（SEM）照片，其显示皮膜层实际上是呈管胞（cellular tube）组织，其底部似一般试管底部呈圆弧状。形成此种组织型态的过程如图表 2说明。开始通电时，铝阳极表面的某些部位开始溶解（time1），时间增长，铝溶解量增加，但是阳极表面开始呈现凹凸不平的粗度（time2），时间续增，由于凹凸不平造成溶解速率不一，溶解较快的部位逐渐凹陷，于此同时，溶解的铝离子逐渐生成氢氧化铝与氧化铝沉积在表面，但是仍留有孔隙以供溶解反应继续进行，长时间之后，堆积的沉淀即形成”管壁”，管壁的主要成份是含水氧化铝或胶状氢氧化铝，愈近管壁中央含水量愈少，愈近纯氧化铝，如图表 3所示，近电解液区域即为铝溶解并沉积的区域，沉积愈久，则愈致密。
电解液的种类，阳极处理操作条件等，影响皮膜管胞的大小与数目，表格 1提供一比较之例，操作电压愈大，形成管胞数目愈少，管胞数目则依电解液随下述顺序递减。
硫酸＞草酸＞铬酸＞磷酸
5.封孔（Sealing）
阳极处理皮膜是经由溶解与沉积形成管胞状，因此处理之后的皮膜，自电解衣取出后，充满着孔隙，而且可能含有大量水份，必须再经封孔程序才能获得较制密的皮膜。封孔的操作方式通常是在近沸腾的水中浸渍一段时间，阳极处理过程溶解沉积的皮膜是胶状氢氧化铝，尤其是管孔内及管口部位，其经过高温处理后，会转化成Boemite，成份是γ-Al2O3、H2O或γ-AlOOH，含有85％的Al2O3，经此转换与再结晶之后，管胞即被完全填封，成一很致密的皮膜层，此过程如图表 4所示。视电解液不同，封孔需求性也不同，如表格 1所示，硫酸液阳极处理形成的管胞数目最多，因此最需要进行封孔。封孔操作，除了在水中进行之外，也可以在重铬酸溶液（例如5g/l重铬酸钾）进行，此种封孔处理之后，可以大幅度提高抗蚀性。
  
6.硬质阳极处理
一般阳极处理皮膜经封孔之后即有一定的硬度与保护效果，但是在机械工程，尤其是磨擦机械（如影印机的送纸滚桶）由于使用时间长，常需要更高硬度与高厚度皮膜。皮膜形成的机构如前述，是经由溶解与沉积过程，而沉积的皮膜本身也会再溶解，不易使皮膜长的很厚，因此通常利用低温（＜5℃）减缓皮膜的在再溶解速度，甚至提高电压以促进铝电解，增加沉积量，此过程除了增加厚度之外，也可以增大每一管胞的口径，相对的减少孔隙度；其厚度可以达到200μm以上。根据报导，硬质阳极处理皮膜的耐磨耗性甚至可优于硬铬镀层。硬质阳极处理皮膜由于很厚，通常会有裂缝，对于耐疲劳性较不利。
  
7.阳极处理皮膜发色
铝金属呈银白色，以硫酸或磷酸电解液阳极皮膜处理以后，封孔前其皮膜多呈无色，由于皮膜封孔前具有孔隙，而且阳极处理过程发生化成反应，因此可以藉控制或改变皮膜成份方式使皮膜具有光泽，这过程称为发色。
发色的原理主要是藉生成有色彩的化合物与皮膜混和以产生色泽，随着化合物不同，可分成无机发色与有机发色。有机发色采用有机染料，无机发色则藉用生成无机化合物；一般而言，有机染料不耐高温，较易变质褪色，无机化合物则较稳定。无机发色的方法有很多种，方法一是，将皮膜依序浸入反应物中，此反应物生成有颜色的填料，经封孔之后，即造成有颜色的皮膜，如：
2CuSO4＋K4【Fe（CN）6】→Cu2【Fe（CN）6】（红棕色）＋K2SO4
方法之二是，直接将阳极处理皮膜浸于金属盐液，继之以水解以生成颜色，例如于5~10％草酸铁与2~5％草酸铵溶液中浸渍，则可生成古铜色。另一种常用方法是，将阳极处理皮膜浸于适当盐类溶液中，通以交流电，以进行电镀发色，例如于50g/l硫酸镍，30g/l硼酸溶液中，以19伏特交流电，0.5~0.75A/dm2电流密度处理5~15分钟，可得古铜色至灰黑色。