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2022/1/22

鋁的陽極處理簡介

國中理化應該都有學過元素的活性,
鋁在化學元素週期表上在 IIIA,算是活性很高的材料,

鉀>鈉>鈣>鎂>鋁>碳>鋅>鉻>鐵>錫>鉛>氫>銅>汞>銀>鉑>金

相對經常使用的鐵,鋁活性更高、更容易產生氧化反應,
但是實際上卻不太容易看到鋁像鐵一般生鏽的狀況。

這是因為當鋁跟空氣中的氧發生氧化反應後會在表面形成氧化鋁薄膜,
這一層氧化鋁薄膜會隔絕底下的鋁材跟空氣中的氧繼續產生反應。

在礦物中,剛玉的主要成分就是氧化鋁,
像紅寶石就是氧化鋁在高溫高壓下參雜氧化鉻形成的結晶物,
參雜了氧化鐵跟二氧化鈦結晶就形成藍寶石,
所以某些型態的氧化鋁層其實還蠻有"價值"的。

但是如果放任鋁金屬表面加工後暴露在空氣中自由氧化,
可能會受到環境中溫度、雜質等等的影響,
使得氧化層附著力受到影響而容易脫落,或者是產生顏色不均勻等等問題;
所以鋁合金加工完成後通常會在表面施作"陽極處理",
在受到條件控制的情況下讓表面氧化,將鋁材表面妥善的保護住,
好處包括增加表面附著力(或相反)、均勻的色澤、提高硬度等等。

陽極處理其實並不是鋁材專用,
所有金屬都可以接在陽極上通電,讓溶液中的特定化學成分跟金屬產生反應,
對的化學反應跟前處理就可以形成"品質"良好的薄膜附著在金屬表面,
這裡的"品質"包括對的顏色、附著性、硬度、耐腐蝕、表面粗糙度、厚度等等,
前處理指得是金屬基材表面在進行陽極處理前的預先處置,例如脫脂去油。

陽極處理是一門很深的學問,從金屬表面的前處理清潔、陽極處理溶液(成分、濃度、純度)、溫度控制、電流控制、處理時間、溶液的流動等等都有可能影響陽極處理後呈現的結果。

陽極處理溶液從早期使用鉻酸鹽到後來的草酸鹽、硫酸鹽跟磷酸鹽類,甚至其他的X酸鹽類也都有可能應用在不同的表面需求。

人的感官有一定的極限能力,不論是觸覺或視覺,
人可以辨識的尺寸都有一定的極限,
像研磨或拋光過的金屬表面對人的感官識別能力來說來說很平整、光滑,
實際上只要放大倍率夠高,表面的狀況其實並不如想像中的平整,
如下圖是陽極處理過程產生在鋁基材表面的沉積物:

陽極處理所形成的"管胞"結構

陽極處理完的表面材質成分主要是金屬氧化物,例如鋁處理完就是氧化鋁為主,
氧化鋁的結晶如前述是紅寶石、藍寶石的基礎材料,本身算是很硬、脆的材料,
在微觀的尺寸下,陽極處理所形成的氧化鋁也是硬脆的材料,
只要堆積得夠密,表面就像是鋪上一層薄薄的陶瓷層,
這一層陶瓷層在電性上理論上是絕緣的,高硬度、導熱性差的,在機械設備為了要讓元件"接地",必須故意破壞掉陽極處理層。

因為陽極處理後的表面並不是一層薄膜,是很多氧化鋁分子形成、類結晶排列堆集形成管胞的結構,
管胞結構之間存在有許多奈米級的縫隙,
這些縫隙有很大的機會可以讓尺寸小的材料滲入、吸附,
若這些材料是不想要的東西,
例如小分子的油脂、色素等,就會形成表面的汙染,影響到外觀,髒污、黃化、顏色不均,
跟後續的功能性表面要求,例如吸附水分在真空環境下緩慢釋出影響到真空度等等。

所以陽極處理後通常還會作封孔,封孔的方法主要大概有三種方法:

最早的第一種方法是熱水封孔:透過浸泡在超過 80 度的熱水中,使氧化鋁吸水形成水合氧化鋁(勃姆體),原本的氧化鋁體積會膨脹,進而將管胞間隙尺寸變得更小,讓一些大分子無法進入,已達到封閉孔隙的目的,但是這種方法須控制水溫與作用時間,操作上有一定的難度與缺乏效率。

第二種方法就是填充有機物或無機物進入管胞的間隙,只要選擇適當的處理劑跟遵循處理過程,效率會比等氧化鋁吸收水形成勃姆體來得快且穩定(不需控制保持在高於80度的水溫),所以後來變成是一種主流。

第三種方法就是在表面上漆,等於在表面形成一層高分子薄膜將管胞孔隙隔絕。

在封孔前,這些微細的孔隙結構讓鋁合金的表面處理可以透過添加不同色料形成豐富的顏色選擇,
一般的原色處理就是不加任何色素。
氧化鋁膜厚大約 12~25 um,
至於硬膜就是控制沉積速率與增加氧化鋁膜厚,膜厚至少都在 30um以上,但是因為微觀上"管"越長堆積的越混亂,表面會比較明顯的不是那麼光滑,因此在品質要求高的情況下會在對表面進行研磨,為了維持研磨厚足夠的厚度,膜厚就是會控制再更厚一點(例如50um),以預留研磨消耗掉的厚度。
除了添加色素形成不同的顏色以外,還可以利用這些管胞結構植入像氟化物的高分子薄膜,
可形成低表面能的表面,減少摩擦力、抗沾,很多模具、蛋糕膜、不沾鍋、高黏度流體管路都會用到;
或者是藉氟化物的低化學反應性提高耐蝕性。

陽極處理在鋁系合金應用上非常的廣泛,
之前用最多是在建材(鋁門窗)、設備零件、電子散熱元件上,
現在包括電子零件、家具上也越來越多應用案例,
這個產業越來越興盛,需求大就形成了一定的產業鏈結構,包括設備、藥劑、處理廠等。

在台灣陽極處理產業比較大的問題在處理廠產生的廢水、廢液環保問題,
除了大園有一個金屬加工處理專用區能集中處理相關廠商產生的廢水以外,
其他散落在各縣市的陽極處理廠多多少少都在廢水、廢液處理成本與環保上會有許多問題需要克服。










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