铝及铝合金表面转化膜技术的发展与现状

　　在众多金属表面处理技术领域，铝合金转化膜工艺技术是发展快的，一个明显的标志就是有关铝及铝合金转化膜的专利、技术文献数量几乎数倍于金属电镀、电泳、涂覆等其它金属表面处理行业。所谓金属表面转化膜，是指采用特定的化学处理液，使金属表面产生化学或电化学反应，生成稳定的金属化合物或氧化物薄膜的处理技术。

　　1.装饰性阳极氧化膜 铝合金可以通过阳极氧化获得各种装饰效果的氧化膜，这是其他表面处理工艺无法比拟的。

　　1.1.铝本色阳极氧化膜 常规硫酸阳极氧化改变前处理方式，可获得光亮、哑银氧化膜;在特定溶液中作孔隙改变处理，可以获得乳白色氧化膜;电解液中加入硼酸，或采用草酸+草酸钛钾配方，可以获得瓷白色氧化膜，继续增加膜厚可以得到瓷灰白色氧化膜，膜厚继续增加至20微米，氧化膜呈瓷质暗灰色等。

　　1.2铝氧化膜着色的进展 铝氧化膜着色工艺始于染色法，又叫吸附着色法。然而，随着有机染料或无机染料染色方法的不断诞生， 针对解决染色牢度的各种实验工作也一直没有停止;原因在于靠物理吸附着色，染料存在于氧化膜孔口，同时有机染料易接受太阳光之后，产生分解而退色，不适合在户外环境下使用。在50年代出现了自然发色法(其代表工艺考尔卡拉法和D300浴)，又叫一次电解着色法;其膜层耐候性优良，被称20年不变化，欧美广泛应用于建筑物外墙装饰。在60年代，以浅田法为代表的金属盐电解着色工艺诞生，称为二次电解着色法，电解着色膜的耐候性很好，在开放之初，我国引进日本的建筑铝型材阳极氧化生产线上，此工艺被广泛应用;但是，由于电解着色膜颜色单一(只有香槟色—古铜色—黑色)，大大限制了它的广泛应用。总结金属电解着色膜的发色规律大致是：凡是金属外观像银，电解后的颜色都是如此。80年代，出现的复合着色法，即两种或两种以上着色工艺叠加使用的着色方法，使应用于户外着色膜颜色的种类，一定程度上得到补充。90年代初，欧洲诞生了干涉光效应着色法，欧洲称为多色化着色，日本称为三次电解着色，这种工艺的本质是利用干涉光原理显色，而不是普通电解着色的散射光原理显色。在同一电解槽中，随着金属锡析出量的增加，颜色从蓝色变化为绿色和黄色。

　　这些着色新技术的出现，不仅使色彩斑阑的铝合金产品应用于户外成为可能，而且使铝合金产品与其它材料的竞争优势大增。

　　2、功能性氧化膜 铝的阳极氧化膜由阻挡层与多孔层组成，在电解过程中，阻挡层同时具有电阻、电容和PN结的特性。功能性氧化膜是利用了氧化膜的这些特性，尤其多孔性，通过对阳极氧化膜单元胞尺寸、微孔直径、阻挡层厚度等参数的调整，使金属析出在微孔中，便形成了带有某种功能性的复合阳极氧化膜，称为功能性氧化膜。这些特性包括：高硬度--硬质氧化膜、高绝缘性-=介电绝缘氧化膜、高电导-=导电氧化膜(属化学转化膜)、高发散度(也叫高灰度)氧化膜、低磨擦系数—自润滑氧化膜等等，用于军工产品。

　　2.1太阳能吸收膜 在铝阳极氧化膜微孔中，如果金属的沉积量超过100mg/dm2, 则阳极氧化膜显示黑色，热吸收特性的太阳能吸收膜就是根据这个原理制成的。这种黑色的阳极氧化膜能够******地反射红外线，红外线也称为热线，而接触这种氧化膜的空气和水就会被加热。

　　2.2磁记录氧化膜 磁性金属沉积于氧化膜微孔中就成了磁记录氧化膜。在阳极氧化膜的微孔中，电沉积金属铁、钴、镍及其合金，制成各种磁性膜。进一步的可以将氧化膜用磷酸进行扩孔处理，这样可以增加电沉积的金属量，得到饱和磁化强度较高的氧化膜。磁记录氧化膜还可以分成水平磁记录氧化膜和垂直磁记录氧化膜。

　　2.3自润滑氧化膜 铝的表面相当软(维氏硬度不足100HV)，阳极氧化是一种表面硬化的方法。自润滑氧化膜是将润滑剂或低剪切力金属(如二硫化钼、金属锡或PTFE等)充填在氧化膜的微孔中，生成自润滑氧化膜，如果摩擦系数值可以达到0.3以下，就认为填充物质起到了自润滑作用。自润滑氧化膜广泛应用于军工、汽车、机床制造工业。

　　2.4高耐蚀性氧化膜也叫重防腐氧化膜，它是通过对传统封孔方式变革，如将碱金属硅酸盐与聚合物硅酸盐导入氧化膜微孔中，形成纳米级复合物包覆膜，此氧化膜可耐480小时中性盐雾、PH13.5的碱和PH1的酸;又如，将乙烯基丙烯酸、聚乙烯蜡一类有机高分子物质乳化后填充氧化膜表面，形成有机封孔表面，可以数倍提高氧化膜的抗蚀能力。

　　3、铝合金硬质氧化膜 它是许多功能性氧化膜的基础，铝在低温或添加有机酸的电解液中，在高电流密度和低溶解率条件下，形成的低孔隙率高厚度的氧化膜，因具有高硬度，称为硬质氧化膜。得益于工艺技术进步与电源的升级换代，今天的硬质氧化膜已从过去的450HV，提高到600HV，纯铝的硬质氧化膜甚至可以做到1000HV。硬质氧化膜主要应用与工程和军工产品，它既适用于变形铝合金，也可用于压铸合金零部件。

　　4、铝合金微弧氧化膜 微弧氧化又称微等离子体氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝、镁、钛及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。

　　微弧氧化处理后的铝基表面陶瓷膜层具有硬度高(HV>1200，甚至可以达到2000)，耐蚀性强(CASS盐雾试验>480h)，绝缘性好(膜阻>100MΩ)，膜层与基底金属结合力强，并具有很好的耐磨和耐热冲击等性能。陶瓷氧化膜层整体性能与效果远远优于阳极氧化膜。因此在机械，汽车，国防，电子，航天航空及建筑民用等工业领域有着极其广泛的应用前景。主要可用于对耐磨、耐蚀、耐热冲击、高绝缘等性能有特殊要求的铝基零部件的表面强化处理。

　　微弧氧化技术工艺处理能力强，可通过改变工艺参数获取具有不同特性的氧化膜层以满足不同目的的需要;也可通过改变或调节电解液的成分使膜层具有某种特性或呈现不同颜色;还可采用不同的电解液对同一工件进行多次微弧氧化处理，以获取具有多层不同性质的陶瓷氧化膜层。虽然微弧氧化已诞生十余年，但其应用范围很有限，是因为它的生产成本，要远高于常规阳极化工艺。

　　5.铝合金铬酸阳极氧化膜 铬酸盐化学转化(钝化)处理与铬酸阳极氧化，作为一种提高金属材料耐蚀性的工艺方法，近百年来，一直是国防产品与航空器铝及铝合金零件使用普遍、有效和经济的方法之一。近年来的研究调查表明，铬酸盐易在人体内积聚而导致皮肤溃疡、上皮癌、肉瘤和乳腺癌等多种疾病，是一种毒性极强的致癌物质，尤其是铬酸盐不像氰化物那样容易被分解，因此金属表面铬酸盐处理技术在生产、废水排放、产品使用及废弃产品每个环节都对环境和人类产生强烈而致命的健康危害。近十年里，德国多家公司和美国海军每年都投入大量经费用于高强度铝合金的无铬转化膜研究。

　　5.1铬酸盐化学转化(钝化)处理已被三价铬钝化和无铬钝化工艺取代。无论是国外还是战斗机的制造，还是航天航空铝合金表面处理，近一百年来一直采用铬酸盐化学转化处理技术，哈飞、西飞作为国家航空产业的基地，在铝合金表面三价铬(三价铬是******无害的)和无铬转化膜处理技术的开发、应用和推广方面，带动了整个行业。目前多家专业公司(包括三泳公司)研发的铝三价铬钝化和无铬钝化添加剂，尤其三价铬钝化毫不逊色于波音公司的3320及德国的SurTec650。这些替代产品的共同特点除环保外，其综合性能，尤其耐蚀性方面的表现均已超过铬酸盐化学转化处理的皮膜。

　　5.2 铬酸阳极化工艺已被硼硫酸阳极化工艺取代。在极端条件以及热带和海洋性环境气候条件下，武器装备及各种金属零件防腐的需要，近百年来，铬酸盐阳极化处理技术被广泛应用，取代铬酸阳极化(CAA)的硫硼酸阳极化(SBAA)工艺技术波音公司早就研究应用了，只是我们没有得到专利授权不能用。直到2008年3月，由于与波音公司大飞机合作项目的签订，硫硼酸阳极化(SBAA)专利权人波音公司，正式开放此专利保护。

　　我们认为，铝阳极化处理工艺发展至今已非常环保，典型工艺中硫酸阳极化(SAA)、磷酸阳极化(PAA)、混酸硬质阳极化(HCA)及瓷质阳极化都不含金属离子，而飞机制造业古老的铬酸阳极化(CAA)，已被硼硫酸阳极化(SBAA)替代了。至此，铝的阳极化工艺真正变成了不产生重金属污染的环境友好型表面处理工艺。

　　本人认为，尽管铝的功能性氧化膜研发方面硕过累累，但现实中对铝氧化膜功能性的利用还处于初期阶段，我们的产品设计工程师往往提不出或提不准对表面处理的要求，这一点与国外相差甚远。期望日后，功能性阳极氧化膜能在各个行业得到广泛推广和应用。