什么是发黑？什么是黑色阳极氧化？一文破解

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