什么是发黑?什么是黑色阳极氧化?一文破解

浏览数量: 86 作者: 本站编辑 发布时间: 2021-08-31 来源: 本站

其实,在机械设计中,我们用得最多的就是铝材,为了防止生锈,防刮花,做装饰等,常常对其表面进行黑色阳极氧化,或者无电解镀镍处理。

 

比如铝合金6061,7075常用表面处理有:

 

氧化发黑发亚黑、发硬黑、发硬白、发白、彩色表面处理、

化学镀镍

 

那么问题来了,到底什么是发黑?什么是黑色阳极氧化?什么又是发硬黑?什么是无电解镀镍?什么又是电镀?

 

                1. 什么是阳极氧化?

 我们知道,铝容易与氧气反应,在空气中形成非常薄的氧化膜。

 

这种天然形成的保护膜,可以防止生锈,从而使铝具有一定的耐腐蚀性。

 

但是,这种膜非常薄,并且会因为环境引起的化学反应而腐蚀,因此需要做保护性表面处理,阳极氧化就是其中一种保护。

 

什么是阳极氧化?

 

用一句话来说,阳极氧化是一种表面处理工艺,是在酸性电解液中,将有色金属例如铝镁钛等,作为阳极进行电解,在材料表面形成一层致密的氧化膜,以对抗腐蚀,提高耐磨性能,起装饰作用等。

阳极氧化示意图

 

阳极氧化微观结构形成示意图:1.在整个区域上形成阻隔层氧化物 2.由表面波动引起的局部电场分布 3.通过增强电场或/和温度,溶解产生小孔 4.稳定的小孔生长
 

阳极氧化微观结构

 

阳极氧化微观结构

 

阳极氧化膜通常是透明的,微观是多孔结构,这些孔的直径为100Å-300Å(1Å=0.1nm),实际上每立方厘米有惊人的50-700亿个孔,想象一下,如果人缩小到原子级,这些孔洞都够人类居住了。

 

了解了这些孔洞,我们就容易理解彩色阳极氧化了。

彩色阳极氧化原理:在氧化表面孔洞中填充彩色颜料

 

例如,如果氧化膜中的每个孔都充满红色染料,则会产生红色阳极氧化,并形成有色表面,该表面将一直保留到氧化膜本身磨损为止。

 

同理其他颜色染料,可以形成相应的彩色阳极氧化。

 

所以,黑色阳极氧化,实际上是在阳极氧化表面,填充了黑色颜料。

  

彩色阳极氧化实物外观

 

              2. 阳极氧化的分类

 

大体上来说,阳极氧化分为标准阳极氧化和硬质阳极氧化。

 

标准阳极氧化,是在硫酸溶液中完成的,氧化层厚度在5um-30um,通常硬度小于200HV,标准阳极氧化可以着色,例如红色,绿色,蓝色等,产生各种颜色的装饰效果。

 

90%以上的阳极氧化,都使用硫酸作为电解液,还有一些是用硫酸和草酸混合液,历史上也有铬酸阳极氧化,但这种氧化对环境不利,如今很少使用。

 

硬质阳极氧化处理,可以通过使用较高浓度,和较低温度(0-10°C)的硫酸和草酸混合溶液电解来实现。氧化层厚度在25um-250um,涂层是灰色至黑色,并且是无孔的,通常硬度达500-900HV,可以增强铝合金表面耐磨性。

 

另外,并非所有的铝合金都可以进行阳极氧化处理。

 

例如,5xxx,6xxx和7xxx系列铝合金对硬质阳极氧化反应良好,而2xxx铝合金和其他合金,包括铜和硅含量高的铸造铝合金,则对阳极氧化反应较差,对于这些合金,阳极氧化层倾向于多孔且硬度低。

 

硬质阳极氧化,是在较低的温度下进行的,价格更高,且硬度更高,但是一般肉眼分辨不出来,可以通过做测试或者加工来分辨。

  

标准阳极氧化和硬质阳极氧化对比

 

 

3. 阳极氧化适用材料

 

阳极氧化,主要用于铝合金,当然也可以用于镁及钛合金。

 

镁:有时会进行阳极氧化处理,但需要额外的密封处理以防止腐蚀。

 

钛:主要应用于珠宝,牙齿移植。

 

锌:很少做阳极氧化,除非希望表面出现深绿色,形成坚硬的耐磨氧化层。

 

含铁金属:通常用硝酸来电解,形成坚硬黑色的耐磨层。

 

铁及碳钢:不氧化,因为氧化层容易腐蚀材料。

 

 

4. 阳极氧化的应用

 

先举几个生活中的应用,比如用于装饰消费品:

 

a)个人电子产品,像智能手机,平板电脑。

 

b)装饰彩色配件,像登山扣,金属笔,手电筒等。

 

c)自行车零件。

 

还有很多工业应用,比如增加铝制飞机部件耐腐蚀性,防止暴露于化学物质的零件发生化学腐蚀,增强零件的耐刮擦性,防止螺纹组件磨损等。

 

阳极氧化的典型应用

 

  

5. 什么是电镀?

 

简单理解,电镀就是使用电能将一种金属镀到另一种金属上的过程。

 

如下图,两个电极浸没在溶液中,阳极(Anode)是需要镀上去的金属,阴极(Cathode)是需要被电镀的金属。

                       

在金属(Me)上电镀铜。在此,硫酸铜用作电解质,阳极是铜电极,阴极是将要电镀的金属。铜离子在电流作用下,移动到阴极,在这里和电子汇合,还原为铜,形成薄膜。

 

当外部提供电流时,电子从阳极传递到阴极,所以阴极具有可赋予溶液中金属离子的电子。当金属离子得到电子时,被还原并成金属原子,然后沉积在阴极的表面上,这就是电镀。

 

电镀有镀锌,镀镍,镀铬,镀金,镀银等多种处理。

 

工业上最常用的是镀锌,镀镍,镀铬等,目的是起到装饰,防锈,耐磨等作用。

 

镀金,镀银一般用在珠宝,项链,首饰等领域。 

 

6. 什么是化学镀?和电镀有什么区别?

化学镀镍和电镀各有什么优缺点?

 

化学镀镍是化学镀的一种应用。

 

化学镀和电镀最大的差别在于,化学镀不使用外部电能,取而代之的是溶液中含有代替电流的还原剂,比如磷。

 

化学镀示意图

 

化学镀镍是使用自动催化剂沉积镍的方法,这个过程,把零件被淹没在镍盐溶液中,还原剂释放电子,在基材料表面聚集镍粒子,从而把镍沉积到基材上,无需引入外部电源。

 

化学镀和电镀的区别:

 

通常,由于电镀使用电流,因此仅适用于导电物体。另外,因为电镀总体上更快,所以更适用于经济且量产的金属零件,例如电气连接件,紧固件和销钉。

 

而化学镀,比如化学镀镍,最大的好处是可以实现更均匀的沉淀,因为反应是通过化学方法自动发生的,无需电流强迫发生。而且化学镀适用材料更广泛,可用于金属或非金属零件,例如纸张,织物,塑料。比如,医疗器械对表面高均匀性有要求,就更适合化学镀。

 

但是化学镀比电镀慢,另外,有些化学镀需要加热,这会增加成本,一般化学镀层也比电镀层薄。

 

 

总结一下化学镀镍有如下的优点:


 

更均匀的沉积厚度:化学镀镍比电解镀膜更精确,公差为+/-2.54um。适用于复杂的几何形状,避免了“狗骨头效应”(不均匀),而这个问题,在电镀过程中,当单位面积电流太大时会发生,从而导致沉积不一致。

 

优异的耐腐蚀性:由于在溶液中引入了磷,因此化学镀镍具有更好的耐腐蚀性。

 

改进了电磁干扰屏蔽:磷还具有磁性,使金属涂饰剂可以控制基材周围发生多少电磁干扰,这个功能对于电子产品很重要。

 

附加的硬度和耐用性:化学镀镍可以加热处理,达到铬硬度的90%。低磷化学涂层的洛氏硬度最高可达HRC 63。相比之下,通过电镀产生的光亮镍镀层的硬度为HRC 50+。

 

增强的润滑性:化学镀镍表面更均匀减少了与其他材料的摩擦,从而提高了润滑性。 

 

延展性增强:由于化学镀镍比传统的电镀镍涂层更具延展性,因此在应力作用下,其破裂破碎的可能性较小。

 

更高的涂层通用性:化学镀镍几乎可以应用于所有金属基材,并且镀层的厚度没有任何限制。 

 

电镀镍有如下的优点:

 

材料纯度:电镀可以用100%的镍制成,而化学镀镍则需要磷。电镀过程也可以用其他金属,例如铜执行。

 

可扩展性提高:电解电镀通常比化学镀镍便宜,并且可以在较短的周转时间内,产生更高的产量,这使该过程的生产率更高。

 

增强的电导率:与化学镀镍相比,较高的镍浓度可提供更好的电导率。 

 

改进的耐热性:电镀后,镍沉积物可以承受高达1000°C的温度。

 

化学镀和电镀应用区别:

 

对于工业机械,航空航天设备,以及任何带有腐蚀性或有害元素的环境,化学镀镍是更好的选择。

 

当耐腐蚀,耐摩擦和长期耐用性很重要时,选用化学镀镍,对于铝材,我们一般都用化学镀镍。

 

电镀镍一般用于纯装饰性消费品,例如树木装饰品,家居照明灯具,某些厨房用具,劣质贱金属珠宝,航空航天或工业材料的低应力元件等。

 

 

 

 

7. 阳极氧化和电镀有什么区别?

 

阳极氧化,既在铝的表面生成氧化膜,又在铝的表面下方生成渗透膜,两层膜均匀生长,这意味着任何不平整表面,都会导致阳极氧化具有不平整缺陷。

 

此外,如果一个表面已经做了硬质阳极氧化处理,现在要重新做阳极氧化,那么必须先化学剥离原来的氧化膜,因此将阳极氧化重新涂层,会导致工件变薄。

 

但是,电镀是一个完全不同的概念,因为电镀是将金属顺序沉积到目标表面。

  

8. 什么是发黑?

 

发黑是化学变化产生的涂层。

 

也就是说,黑色氧化物不会像电镀镍或锌一样沉积在基材表面上。而是通过黑色金属(含铁金属)表面上的铁,与黑色氧化物溶液中存在的氧化盐,发生化学反应,产生黑色氧化物涂层。

 

这些氧化盐包括渗透物,催化剂,活化剂和专有添加剂,它们都参与化学反应。这种化学反应的结果,是在金属表面上形成黑色氧化物。

 

发黑主要应用于铁合金,包括碳钢,合金钢,工具钢和铸铁,不锈钢等。发黑也可以用于部分有色金属,比如铜和黄铜等,它们在适当的条件下也会形成黑色氧化物。

 

相比而言,阳极氧化主要用于铝,镁,钛等合金,是非自发的化学沉积,需要供电。

 

金属发黑有三种类型:热发黑,中温发黑和室温发黑。

 

热发黑 (>140°C)是一种常规的热过程,可产生真正的黑氧化物(Fe3O4)。它是一种高级盐混合物,与市场上任何其他工艺相比,它可以使更广泛的铁合金变黑。

 

中温发黑(107–118°C)是发黑工艺的最新代表,它不会产生腐蚀性的沸腾烟雾,并提供更安全的工作环境。

 

室温发黑 (13–29°C),是黑色硒-铜化合物的自动催化反应,该化合物通过浸渍过程沉积在黑色金属零件上,这是安全和方便的首选金属发黑工艺, 它可产生与热发黑相同的超深黑和耐腐蚀性。对于粉末金属和铸铁而言,它是一种极佳的非渗出黑色面漆。

 

发黑具有一系列特性和优点,可应用于各种行业。典型地,发黑后会浸入油或蜡,以改善涂层的腐蚀防护。发黑以低成本提供了良好的哑光黑色外观。

 

发黑涂层的好处:


 

1.装饰黑色。可以获得所需的表面外观,颜色在升温时稳定。

 

2.尺寸变化较小。黑色氧化物涂层的厚度不超过0.75µm,其中一半添加到零件尺寸中,另一半渗透到零件深度中。

 

3.涂层与底材之间附着牢固。黑色氧化物涂层不会从表面剥离。

 

4.良好的润滑特性。发黑改善了抗磨损性能,除此以外,精加工油/蜡浸没,还降低了黑色氧化物涂层部件的摩擦系数。

 

5.低光反射。运动部件,外科器械和手动工具上涂有黑色氧化物,眩光减少,可减少眼睛疲劳。

 

6.抗腐蚀性略有提高。黑色氧化物涂层可为零件提供一定的腐蚀防护,但是它薄,在腐蚀性环境中不提供防腐性能。

 

7.成本效益。发黑涂层比其他类型的涂层便宜。

 

 

发黑主要用于紧固件,机器和切割工具,机械零件(轴承,轴,弹簧等),医疗工具和设备,量规,汽车部件,手动工具,运动器材等。

 

转载于:罗罗日记

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