1、铝合金阳极氧化膜的封闭及常见问题1.前言 阳极氧化作为铝及铝合金表面应用最为广泛的一种处理技术，可以显著地改善铝及其合金的耐蚀性能，提高铝及其合金表面硬度和耐磨性封闭是阳极氧化的一种后处理方法，是提高阳极氧化膜腐蚀性的必需工艺，同时它还可以防止染料褪色，提高染色膜的耐光性。本文简要介绍了常用封闭方法及封闭中常见问题。 2封闭工艺分类 阳极氧化的封闭工艺常按不同方式分类：根据封闭液的成分，封闭温度以及封闭机理。 （1）按成分分类 按封闭液组成，有传统的封闭工艺，包括热水（沸水）封闭，蒸汽封闭，重铬酸钠或钾盐封闭，硅酸盐封闭，醋酸盐封闭及氟化镍封闭。新的封闭工艺有：醋酸钴封闭，三价铬盐（硫酸铬或醋
2、酸铬），醋酸铈封闭，醋酸锆封闭，三乙醇胺基封闭，锂或镁盐封闭，高锰酸钾封闭，聚合物封闭，氧化型缓蚀剂封闭（钼酸盐，钒酸盐，钨酸盐，过硼酸盐等） （2）按操作温度分类 根据操作温度封闭一般分四类：高温封闭，中温封闭,低温封闭，常温封闭。蒸汽封闭，热水封闭和重铬酸盐封闭均在高温范围进行，其它的大多在中温范围，如硅酸盐封闭，二价或三价醋酸盐，三乙醇胺基封闭，氧化型缓蚀剂封闭。采用特殊配方，一些以金属的醋酸盐为基楚的封闭剂可以在低温下进行。由于节能及可以减少封闭灰，常温封闭正日益得到普及。最典型的为氟化镍盐封闭，通常在 30 度左右进行。 （3）按机理分类 按封闭机理可分为：热封闭，物理或化学浸渍，电
3、化学封闭，缓蚀型封闭。 热封闭是在高于 80 度下将氧化铝转化成波姆铝。蒸汽封闭，热水封闭以及在中温下进行的金属醋酸盐型封闭都属此类。 重铬酸盐，硅酸盐，氟化镍冷封，聚合物封闭及其它有机封闭都属于化学或物理浸渍，阳极氧化膜的微孔通常被这些封闭成分填塞。 在电化学封闭过程中，有机成分通过电化学反应沉积到微孔中，或在电场作用下，缓蚀性的阴离子迁移到微孔中。电泳封闭是这类的一个典型例子。 缓蚀性封闭是指缓蚀剂通过热运动或扩散吸附到阳极氧化膜的微孔中，许多有机缓蚀剂和无机钝化剂可以帮助提高对外部环境的耐蚀性。 3.常用封闭方法 商业上应用的封闭剂一般由多种成分组成，它们起不同的作用，并且对封闭过程及耐
4、蚀能力有协同作用。在封闭过程中膜孔内同时发生不同的反应。对复配的封闭剂来说，封闭机理是相当复杂的。因此对商业上应用的复配封闭剂来说，从机理上很难明确地进行分类。下面重点介绍工业上目前应用最广的 2 种封闭方法。 3.1 醋酸镍封闭 醋酸镍盐封闭是为克服热水封闭的一些限制而发展起来的。 镍醋酸封闭在北美尤其受到欢迎, 这是由于它的高质量。盐雾试验和酸溶解测试显示醋酸镍盐封闭可提供优良的耐腐性。锻铝阳极氧化后用醋酸镍盐封闭至少可通过 2000 小时盐雾测试 在酸溶解试验中失重小于 10 毫克/平方分米。醋酸镍盐封闭还能防止染料褪色，并通过与染料形成共价键提高耐光性。醋酸镍盐封闭对水中杂质的容忍度胜
5、于热水封闭。 同时,醋酸镍盐封闭的温度仅为 80-90 ，这是由于它的封闭的效率比热水封闭( 大于 95 C)的封闭速度高很多。当然醋酸镍盐封闭也有一些缺陷。 当添加剂失去平衡，pH 太高, 和/ 或封闭时间太长时在膜的表面有时会形成白垩或白色的粉状污渍。在 pH 值太低和/ 或氯化物含量太高及对含铜高的铝合金，醋酸镍盐封闭后可能产生点蚀（针孔）。由于勃姆铝的有效形成，醋酸镍盐封闭工艺会降低阳极膜的耐磨性。 表 1,表 2 为珠海奥美伦公司生产的醋酸镍盐型封闭剂 SF-558 的使用工艺及性能指标。 表 1. SF-558 使用工艺 SF-558 浓度 5- 7g/L PH 5.3-5.8 温
6、度 7090 C 时间 520 min 表 2 SF-558 的主要性能 失重（ISO3210 磷铬酸法） 8.6mg/dm2 染色斑点试验（GB8753-88） 染色强度小于 2 级 硝酸(68%)1:1 水溶液浸泡（ 25C） 10 分钟无褪色 图 1-4 为不同工艺条件对失重的影响 3.2 常温氟化镍封闭 出于节能，操作简单，及消除热封中常见的干燥印迹，在开发常温封闭方面人们做了大量工作，其中一个成功的工艺就是氟化镍盐封闭。它已成功商业化二十多年。通常氟化镍封闭是在大约 30 C 进行的. 加入一些特殊添加剂 , 促进在阳极氧化膜毛孔里面的沉积。 典型的冷封闭工艺列于表 4. Ni2+浓
7、度 1.5 - 2.0 g/L F- 450 - 650 ppm 有机添加剂 2 - 5% pH 5.5 - 6.5 温度 25 - 35 C 时间 5 - 15 min 如上面提到的, 勃姆铝只有在 80以上才能形成. 因此在冷封闭中更多的是形成 氢氧化铝。 如果在封闭的表面存在大量 氢氧化铝 ，就会在表面观察到灰。此外,在冷封闭过程中有时还会出现绿色或彩虹色的颜色, 以及白色和微黄色的封闭灰 4封闭工艺的选择 没有一种封闭工艺是适合所有要求的。每种封闭工艺都有自已的优点和缺点，用于特定的条件。选择合适的封闭工艺涉及到许多参数，包括具体的应用，生产成本，设备，质量控制，环境问题等。 醋酸镍封
8、闭在提高耐蚀性及减少封闭灰方面要优于传统的热水封闭。共沉积到氧化膜中的镍离子还具有防止吸附到微孔中的染料析出的功能。为应对 EPA 对镍的相关环保法规，在封闭配方中使用三价醋酸铬盐来取代醋酸镍。尽管轻金属的醋酸盐已成功取代醋酸镍用于无色氧化膜的封闭，然而轻金属离子不能阻止吸附到氧化膜微孔的有机染料褪色。热封闭一般不推荐用于硬质氧化，如果采用热水封闭硬质氧化膜，建议一般不要超过 30 分钟，以满足耐磨的最低要求。从 30 分钟延长到120 分钟，并不能提高耐蚀性能及电绝缘强度，反而会降低硬质氧化膜的耐磨性。热水封闭对提高阳极膜层的绝缘强调非常适合，换句话说，热水封闭非常适合那些优先考虑耐蚀性和绝
9、缘性的场合，如涂装，粘结等用途。 5.封闭工艺常见问题及应对措施 和其它生产工艺一样，封闭也存在一些问题。典型的问题包括：不正确的封闭，封闭不足，过封闭，起灰，裂纹及耐磨性降低。 不正确的封闭意味着对特定的用途选择了不适当的封闭工艺。每种封闭工艺都有自已特有的功能，应根据具体应用的所有要求如耐蚀性，耐磨性，染料褪色性，绝缘强度，疲劳强度，涂料附着力等等，选择正确的封闭工艺。否则，封闭的阳极膜层就不能达到预期的目标。 当采用错误的封闭参数，封闭工艺失控，或封闭溶液失调，就会发生封闭不足或过封闭。封闭不足导致耐蚀性差，绝缘性低，过封闭导致起灰，裂纹，以及耐磨性及抗疲劳性降低。 封闭灰是封闭过程，通
10、常是热封闭中最常见的问题。在阳极氧化市场已有许多商品化的抑灰剂。抑灰剂可以抑制表面波姆铝的形成而不影响微孔内的封闭过程。如果使用得当，很多化合物都可以作为抑灰剂。典型的有：羟基羧酸，木质素磺酸钠，环烷或芳基聚羧酸，萘酚磺酸，聚丙烯酸，膦酸酯，酚磺酸，膦羧酸，亚膦基羧酸，膦酸，三嗪衍生物等。 醋酸镍盐封闭是上述所有封闭工艺中最有效率的方法。如果配方不合适或各组分浓度失调，封闭灰几乎是不可避免的。下列因素可导致封闭灰的形成。 （1)高 pH 值 （2) 高温度 （3) 长的浸渍时间 （4) 表面活性剂抑灰剂浓度不当 （5)溶液老化，含表面活性剂分解物 白色粉状灰通常是由于镍盐在表面的沉积。 天鹅绒
11、状的外观是由于波姆铝在表面的形成, 而水斑和泡沫痕是不合适的表面活性剂所致。如果灰用湿抹布可以擦掉，, 它最有可能是由表面活性剂引起的斑。其他二种形式的灰粘附的紧得多，需要用力摩擦才能去除。严格控制槽液的 pH 值,温度 , 浓度, 封闭时间, 以及连续过滤是醋酸镍封闭过程中减少或消除封闭灰的必要措施。 氟化镍冷封闭由于不在表面形成勃姆铝，因此产生灰的可能性较小。另外,现有的商业镍氟化镍封闭剂配方已加入抑灰剂。然而,氟化镍封闭也可能产生其它形式的灰，这种灰主要是由于氟化镍在铝氧化物转化成氢氧化物中的催化作用，变化以及过量氟离子或镍离子引起。因此为尽可能减少灰的产生，封闭时间不应超过 15 分钟
12、。封闭溶液的 pH 值，温度，镍离子，氟离子浓度应定期检查并调整。除灰的问题外，在氟化镍冷封闭中有时还会产生绿色或彩虹色以及带白或黄色的粉状物。当镍离子浓度过高，Ni/F 比例高于供应商推荐的比例时，会产生绿色。发白的灰是由于钠，钾离子累积所致（通过氟化钠，氟化钾形式加入）。在这情况下,封闭溶液应部分废弃并补充新溶液，为避免发生此问题，推荐用氟化氨，氟化氢铵来补充调整氟离子。微黄色的灰很少遇到，除非溶液受到铁离子，铜离子污染。如污染已发生，就只能重新配新槽了。 灰有时在阳极氧化的前段工序产生，包括：浸蚀，去氧化（中和），阳极氧化，着色或染色。灰的多少取决于材质及浸蚀时间。浸蚀灰应在随后的去灰（
13、去氧化）处理中去除.如果去灰溶液失调或处理时间不够，灰则可能仍会残留在表面。在这种情况下，通过调节封闭参数就不可能消除，此类灰可通过将已封闭处理的工件浸入 25%硝酸（20-30 C） 约 10 分钟来消除。这是一个非常有效的清除前处理灰的方法，前提是工件必须完全封闭住，否则阳极氧化膜就会受到酸浸蚀。 有时候阳极氧化本身化也可能生灰。当氧化温度过高，电流密度过低，氧化时间过长都有可能产生粉化膜层。这一问题可通过调整阳极氧化操作参数来解决。着色工艺包括无机染料染色, 电解着色和有机染料染色染。 草酸铁铵是一种无机染色剂。它的槽液在使用中易混浊。如果发生混浊，长时间的染色就易在表面产生灰。为减少污
14、渍，必须连续过滤槽液。电解着色，尤其是锡盐着色，当溶液没有过滤或使用不适合的滤芯过滤，也会产生灰。封闭后，细小的氢氧化锡粒子吸附在工件表面，形成灰。解决此问题，需要适量加入稳定剂，并连续过滤槽液。所谓的过度着色 则是电解着色产生污渍的另外一个原因。 可通过适当控制着色时间，电压来消除。有机染色工艺如果随后用醋酸镍封闭通常不会产生污渍。然而, 老化或到受污染的有机染色槽能在工件边缘上产生灰。当这种情况发生的时候，唯一的解决办法是更换染色液。 在低温及高电流密度阳极氧化产生的阳极膜经冷水洗后快速进入高温封闭槽中可能会产生裂纹,热封闭易出现裂纹。裂纹的出现受基体材料，膜层厚度，膜层组成，阳极氧化电流
15、密度及温度的影响，而且，抛光的表面较浸蚀的表面更易出现裂纹。原则上，封闭裂纹主要是由阳极膜与基体金属的热膨胀系数的差异及堵塞物所形成的张应力所致。薄的氧化膜在封闭中出现裂纹的几率较小。裂纹随封闭温度降低明显减少，在冷水洗与高温封闭之间加一道热水洗可减少随后的封闭出现裂纹的机会。 阳极氧化膜耐磨性的降低主要和封闭工艺有关。热封闭都会降低氧化膜的耐磨性。这是由热封闭的本质决定的，它将硬的氧化铝转化成柔软的水合氧化铝。因此热封不推荐用于耐磨性有要求的场合，非热封闭，如浸渍和电化学沉积，对膜层的耐磨性影响较小。在只能使用高温封闭的情况下，通过改变其它工艺参数，如在接近温度下限，缩短封闭时间来将封闭对耐磨性的负面影响降至最小。
