鋁合金陽極氧化與表面處理技術(第三版)（簡體書）

第三版前言
本書第一版在2003年完成並於2004年由化學工業出版社出版，距今已有十六七個年頭了。第二版在2009年完成修改增補，於2010年出版，距今已有十餘年。第二版初衷是為了適應當時建筑鋁型材門窗的有機聚合物塗層工藝迅猛發展的形勢，重點強化了有機聚合物塗層工藝的內容，請餘泉和先生將第一版的“有機高聚物塗層工藝”一章擴充為四章，即電泳塗漆、靜電粉末噴塗、靜電液相噴塗及輥塗。同時對“鋁的化學轉化處理”“鋁陽極氧化膜的電解著色”以及“鋁陽極氧化膜及高聚物塗層的性能與試驗方法”三章的內容進行了較大範圍的增補修改。
第二版發行至今的十餘年中，盡管在世界範圍內並沒有出現革命性的創新工藝，但是技術進步還是有目共睹的。尤其在我國，鋁材表面處理的工藝多樣性、原輔材料和技術裝備的完善、產質量量的提升、國家標準的更新、環境管理的完善以及技術隊伍的成長，都發展到一個全新的高度。我國鋁材表面處理生產的工藝水平和產質量量，雖然目前還存在企業之間、行業和地區之間的不平衡，其中某些技術與國際先進水平比較可能還有一些差距，但是就工業生產總體而言，我國與國際先進水平已經較好接軌，甚至還有所超越，尤其在建筑鋁型材方面已經穩居世界大國和強國的地位。非建筑用鋁材的陽極氧化工藝迅猛發展，包括汽車內外裝飾件、電子產品殼體等習慣稱作“小氧化”以及鑄態鋁合金的陽極氧化等方面，但是亟待提高工藝水平、完善工藝規範和統一產品性能標準。本書第三版力圖總結國內外鋁合金表面處理技術的發展過程,重點介紹鋁合金成分、結構、狀態與陽極氧化膜性能之間的關係，在有機聚合物塗層中進一步融入我國的實際生產經驗，並且強調和推進表面處理的環境管理。
2015年，化學工業出版社責任編輯鑒於本書前兩版已經印刷十餘次，印數已達兩萬多冊，建議增補修改出版第三版，由於本人年近八旬，當時未敢動筆。2016年由於同行的友好支持、積極鼓勵，並給予具體的幫助，本人收到從日本和歐洲新出版的技術書籍和雜志以及幾次國際鋁表面處理會議的論文，更由於本人身體狀況有些改善，遂躍躍欲試開始動筆。2017年本人訪問過我國幾家非建筑鋁合金表面處理企業，接觸從事裝飾鋁合金材料或部件陽極氧化的技術人員和有關企業，在技術思路和信息方面稍有醞釀和鋪墊，才決定動手組織，進行增補修訂的準備。為了更好地與生產實際結合，邀請生產第一線的技術專家參與修改增補。
第三版的修訂構思是，本人對原第1章“引論”進行全面更新、修改和增容，根據國內外鋁表面處理技術的發展，特別是我國的工業發展現狀和動向，從環境友好和節能降耗的高度出發，提出我國鋁表面處理工業發展的新思路和新觀點。鑒於鋁合金的腐蝕性能和腐蝕形態對於分析理解表面處理膜層的壽命和處理表面膜層缺陷的重要意義，第1章對鋁合金的腐蝕形態和腐蝕機理增添了必要的內容，其中鋁合金特征性的絲狀腐蝕和層狀腐蝕的更新增添內容較多。第三版還新增加第7章“裝飾與保護用鋁的陽極氧化”，是在基本未改動第2版第7章（現第8章）“陽極氧化工藝”的基礎上，從技術發展的歷史角度更為系統和全面撰寫的。第二版原第7章主要是以建筑用鋁型材陽極氧化為中心的工藝，由於非建筑的裝飾用陽極氧化技術持續發展擴大，新版第7章從國外和我國鋁陽極氧化的技術進步和生產發展出發，全面總結各種類型的鋁陽極氧化技術，並提出陽極氧化工藝中必要的概念、術語及工藝參數，並從建筑用表面處理擴大推廣到非建筑用的廣闊領域。新版第7章還增加光亮陽極氧化和鑄態鋁合金陽極氧化兩方面內容，也適當涉及相關的著色和封孔的新工藝和新思路。
根據出版社和讀者的意見，希望鋁合金有機聚合物塗裝的內容更加結合實際操作，以更有效地指導生產實踐，為此邀請有關企業生產第一線具有實際操作經驗的技術骨幹參與進行修改補充。原第13章電泳塗漆請三星鋁業總工程師王爭先生全面修改為新版第14章，原第14、15章的粉末噴塗和液相噴漆請堅美鋁業的技術部部長陸文偉先生修改補充為新版第15、16章。他們在生產第一線都曾承擔相應的技術工作，現在領導崗位上，百忙之中願意承擔修訂補充職責，本人在此由衷表示感謝。原第18章試驗方法聯同附錄4請原作者堅美鋁業副總工程師戴悅星先生全面更新補充為新版第19章。表面處理的環境管理和生態保護極為重要，本書前兩版幾乎沒有涉及，第三版增加第20章“鋁表面處理生產的環境管理”，這是近年來我國特別重視和關注的，由此彌補本書原版的缺憾和不足。新版第20章請廣東耐得實業公司總工程師魏東新先生執筆，他近年致力於自動化生產線的設計，積累了一定的環境管理的經驗，將全面介紹國內外鋁表面處理的有關標準、工藝現狀、管理建議。本人在此再次衷心感謝魏東新、陸文偉、戴悅星和王爭四位卓有成就的年輕專家，在百忙中對本書的提升和完整做出貢獻。對於在第一版、第二版編寫中作出卓越貢獻的施瑞祥、餘泉和、李捷、蔡錫昌和來永春諸位先生再次表示由衷感謝。
本人希望第三版的內容符合我國和國際的生產技術的發展和學術理論的動向，而且第三版的觀點與論述是有的放矢和恰如其分的。希望能夠繼續得到廣大讀者的認可和支持，這樣也不致辜負國內外專家和朋友對我們的支持和幫助。
盡管第三版新書增加了兩章即第7章和第20章，並對第2版的第1、13、14、15、18章進行了大範圍修改補充，但是其他章節均未作大規模的修改變動。根據國內外鋁合金表面處理技術發展的主要線索，雖在第三版第1章中簡要敘述這方面的技術進步，但難免有不完善之處，祈請廣大讀者指正。本人年已八十有四，在年輕同行的投入和鼓勵以及化學工業出版社編輯的支持下，經過兩年多時間終於完成第三版。或許這是我最後的圖書作品，就此告別我鐘愛的從1962年開始在北京有色金屬研究總院的技術研究，告別1985年從日本永山政一教授實驗室開始的鋁陽極氧化的事業。謝謝大家！

朱祖芳於北京家中
2021年1月




第一版前言
鋁合金的陽極氧化處理和表面塗覆技術是鋁合金擴大應用範圍、延長使用期限的關鍵，表面技術一直受到我國鋁合金材料工業的特別關注,並且已經取得巨大的技術進步和工業發展。以建筑鋁型材為例，20年來建筑鋁型材的生產從無到有，2003年產量已經達到150萬噸左右，成為世界鋁型材年產量最高的國家。隨著建筑鋁型材的生產發展，在熔鑄、擠壓、模具和表面處理等工序中，技術進步最快的當數表面處理。不論是表面處理的工藝多樣性、技術水平和產質量量，還是裝備水平都發展到一個嶄新的階段，目前與國際先進水平的差距並不很大。
我國自20世紀80年代中期，鋁型材表面處理工業從當時技術比較發達的日本和意大利等國引進開始，在引進、消化、吸收和發展的過程中，積累了豐富的工藝經驗，已經形成了龐大的工業體系。時至今日不僅掌握了建筑鋁型材各種表面技術的工藝，而且成套化學品和大部分設備都可以立足國內生產。我國的建筑鋁型材目前已經發展成以廣東南海、蘇南浙北、遼魯環渤海三個地區為中心的鋁型材生產基地，占全國產量6成以上，新工藝和新設備也基本上是從這三個地區發展起來的。從生產技術的發展水平來看，我國基本上已經擁有世界上所有建筑鋁型材表面處理的先進工藝和設備。鋁合金板材的生產以及表面處理也發展極快，建筑用鋁合金板材的噴塗和輥塗已經有了相當的規模，而且正在迅速發展之中。
為了總結20年來我國的技術發展和工藝經驗，本書希望從我國生產第一線中總結引進的新技術和消化吸收的生產實踐，同時為了反映和跟進我國近十餘年中鋁合金表面處理生產工藝方面的新發展和新變化，本書增加化學轉化膜、有機高聚物塗裝、硬質陽極氧化和微弧氧化、電鍍、染色等內容，擴展與加強表面機械處理、化學清洗等方面的內容。為了今後在新的技術高度上有效地發展我國的鋁材表面處理技術，本書希望盡量客觀地介紹國外工業發展的現況和前景，力圖收集國外最新的技術信息和發展方向，以避免重復落後工藝。為了便於我國技術界和學術界深入了解國內工業現況和發展的需要，本書盡可能突出國內的工業水平和研究成果，希望能夠起到溝通和促進作用。
我國在20世紀80年代有過幾本建筑鋁型材陽極氧化和電解著色的專著，由於這個領域的技術發展和更新很快，20年來出現了許多新的內容和方向。本書盡量不重復已有的內容，避免已經過時的陳述。為此簡化了陽極氧化和電解著色方法的介紹，增加了陽極氧化膜結構和生成機理的理論描述，著重於引進技術和生產經驗的總結和評述。本書許多作者來自生產現場，注入本書以鮮活的內容，因此本書是我國近20年來該工業領域發展的工藝技術總結。
20世紀90年代以來，歐洲和日本的有關陽極氧化新的專著引進我國，布萊斯的《陽極氧化鋁的工藝學》（The Technology of Anodizing Aluminium）第二版和第三版，維爾尼克的《鋁及其合金的表面處理和精飾》(The Surface Treatment and Finishing of Aluminium and its Alloys)，日本輕金屬制品協會的新版（1994）《鋁表面處理的理論和實踐》（アルミニウムのと），川合慧的《鋁電解著色技術及其應用》（アルミニウムカラーとその）和佐藤敏彥等的《鋁陽極氧化新理論》（アルマイト）等著作充實和補充了原有的技術信息和理論觀點。同期有關鋁表面處理的國際會議和國內外期刊都發表了不少文章，我國大批管理和技術人員走出國門實地考察，也提供了鋁的陽極氧化及表面處理的最新信息，本書吸收了這方面的內容。我國“七五”重點科技攻關專題“建筑鋁型材表面處理技術和陽極氧化工藝的研究”的部分研究成果及其在生產實踐中形成的主要觀點也已包括在本書之中。
本書共分14章，由朱祖芳安排全書的章節和內容，組織有關人員編寫，在成文完稿之前與各章編撰人至少經過兩個循環的研究討論，完稿之後再由朱祖芳統一術語和審校內容。各章的主要內容以及執筆撰寫人員如下。
第1章引論扼要介紹鋁的特點及鋁的腐蝕行為和腐蝕形態，鋁合金系及其陽極氧化的適應性。概述鋁合金的各種表面處理技術（陽極氧化、化學轉化、塗裝、電鍍和琺瑯等）以及相應的表面膜層的特點。本章由朱祖芳執筆。
第2章表面機械處理介紹鋁合金的表面機械處理，包括拋光、磨光、噴砂、掃紋等各種表面機械處理和機械預處理的工藝特點和設備配置。本章由施瑞祥執筆。
第3章化學拋光和電化學拋光介紹各種化學拋光和電化學拋光槽液、工藝以及注意事項，本章內容以收集意大利等歐洲國家的技術並結合我國實踐為主。本章由汪平執筆。
第4章化學清洗和浸蝕作為化學預處理是陽極氧化生產不可缺少的工藝環節，本章內容主要取材於歐洲的建筑鋁型材陽極氧化生產的化學預處理工業技術現況，同時也注意結合我國的生產實踐。本章由周軍強執筆。
第5章化學轉化處理介紹鋁合金鉻化、磷鉻化以及無鉻化學轉化處理的工藝技術、工業現況和發展趨勢，化學轉化膜作為聚合物塗層的底層的技術要求，內容主要取材於歐洲的技術發展。本章由朱祖芳執筆。
第6章陽極氧化與陽極氧化膜介紹壁壘型和多孔型陽極氧化膜的陽極氧化規律和多孔膜的結構特點，理論性論述有助於對於工藝的認識與理解。本章由朱祖芳執筆。
第7章陽極氧化工藝以較多篇幅介紹建筑鋁型材陽極氧化工藝技術的實際操作和注意事項，重點放在應用最廣泛的建筑鋁型材硫酸陽極氧化工藝。本章由蔡錫昌執筆。
第8章硬質陽極氧化和微弧氧化是工程用的陽極氧化技術。本章敘述硬質陽極氧化的工藝發展、技術要求和現況，簡單介紹近年發展的硬質表面膜形成新工藝——微弧氧化的特點、工藝和技術前景。本章由朱祖芳執筆。
第9章陽極氧化膜的電解著色作為建筑鋁合金應用最廣泛的工業化著色技術，有大量專利申請，理論研究相對滯後。本章著重介紹工業化的錫鹽、鎳鹽以及其他鹽的電解著色的工藝特點和進展，對於直流與交流著色的技術發展和特點作了比較，尤其側重於引進的電解著色工藝。本章由朱祖芳執筆。
第10章陽極氧化膜的染色具體介紹鋁陽極氧化膜的染色工藝，較多收集和總結國內的槽液配方和工藝。本章由施瑞祥執筆。
第11章陽極氧化膜的封孔是保護與裝飾用鋁陽極氧化膜必不可少的重要措施。本章介紹國內外熱封孔、冷封孔和新發展的中溫封孔等封孔技術的發展、工藝、經驗和理論，強調我國冷封孔的工業實踐中的經驗和規範。本章由朱祖芳執筆。
第12章有機高聚物塗裝工藝是建筑鋁合金蓬勃發展的新興表面處理技術。本章介紹裝飾和保護用的有機高聚物塗裝技術，主要包括電泳塗裝、靜電粉末噴塗、靜電液相噴塗的裝備、工藝以及有機高聚物塗層的性能要求。本章由魏東新執筆。
第13章鋁及其合金的電鍍詳細介紹鋁上的電鍍槽液、工藝和操作經驗，重點在電鍍前的化學預處理方法的技術細節及其工藝比較。本章由施瑞祥執筆。
第14章陽極氧化膜及高聚物塗層的性能與試驗方法分別介紹鋁的陽極氧化膜和聚合物塗層的性能，有關性能檢測方法以及相關檢驗方法的我國和國際標準。本章由戴悅星執筆。
本書後有4個附錄，附錄1和附錄2分別是“我國主要變形鋁及鋁合金牌號以及主要合金化元素的成分”和“我國主要鑄造鋁合金的牌號及主要合金化元素成分”，由朱祖芳收集整理。附錄3是“鋁陽極氧化槽液的化學分析規程”,由臧慕文根據原有規程審核整理。附錄4是“鋁陽極氧化膜及高聚物塗層的性能與試驗方法的國家標準和國際標準一覽表”，由戴悅星整理編寫。
本書系工藝技術性著作，盡量收集國內外新近發表的文獻資料和引進的先進技術。本書各章作者都是在研究、開發和生產的第一線，其中一半以上章節是已經退休的資深科技人員編寫的，他們根據自身經驗、知識、觀點和理論會對本領域的技術提出很多看法和評論，這些評論應該是有益的，但是不可避免可能會存在偏頗之處，不當之處請學者、專家和廣大讀者指正，如能引起讀者的注意和批評，不僅對於本書作者有益處，對於鋁的表面處理的技術發展，乃至於生產工藝的進步都是大有好處的。
借此機會感謝日本永山政一教授引導進入鋁陽極氧化的研究領域，感謝在日本工作期間的教研室同仁田村纮基先生、高橋英明先生、金野英隆先生等的幫助。感謝中國有色金屬總公司科技部對於科技攻關和技術推廣期間給予的指導和支持。誠摯感謝本書所有編撰者的努力工作，並對編撰者所在單位的領導的支持和關懷表示衷心的謝意。
承蒙日本老一輩陽極氧化學者永山政一教授、技術專家川合慧先生和日本的高橋英明教授、金野英隆教授、田中義朗先生以及意大利的Dr.Strazzi等贈與最新資料或他們的論文和著作，這對於完成本書的寫作幫助極大，在此表示誠摯的謝意。

朱祖芳
2003年11月





第二版前言
承蒙廣大讀者厚愛，《鋁合金陽極氧化與表面處理技術》第一版自2004年出版以來，經4次印刷已逾萬冊，令人欣慰，在此對各位讀者表示衷心感謝。鑒於第一版出版五年以來，國內外鋁合金表面處理技術，尤其是我國鋁材的表面處理工業發展和技術進步特別迅速，我們對本書進行了修訂。
近幾年來，在鋁型材和鋁板帶表面處理的工業生產中，鋁合金表面有機聚合物塗層工藝的發展顯得很突出。為此，第二版首先將第一版的第12章有機高聚物塗裝工藝增容擴充為四章，即第二版的第13章鋁陽極氧化膜的電泳塗裝、第14章鋁及鋁合金的粉末噴塗、第15章鋁及鋁合金的液相靜電噴塗和第16章鋁及鋁合金的輥塗，邀請在生產第一線的具有豐富實踐經驗的專家負責撰寫。
另外，為了進一步反映我國鋁合金表面處理新的進展，第二版有4章在第一版的基礎上重新編寫，即第二版的第3章鋁的化學預處理，第4章鋁的化學拋光與電化學拋光、第8章鋁的硬質陽極氧化和第9章鋁及鋁合金的微弧氧化。有3章對第一版內容做了比較大的增補，即第5章鋁的化學轉化處理、第10章鋁陽極氧化膜的電解著色和第18章陽極氧化膜及高聚物塗層的性能與試驗方法。其餘各章根據讀者意見進行了不同程度的修改，主體內容未作變動。
同第一版一樣，本次修訂盡力邀請具有實際研究和生產經驗的第一線專家參與。第二版新增的撰寫人有南平鋁合金廠餘泉和先生，北京師範大學物理系來永春先生，武漢材料保護研究所李捷先生和中國鋁塑板專家委員會張翼鵬先生，王爭和戴悅星分別對電泳塗裝和靜電噴塗的技術內容進行了校定。在修訂進程中，各位編者與主編密切配合，全力支持和不厭其煩地反復修改提高，在這裡對他們的支持、配合和不懈工作，同時也對他們所在單位的支持表示感謝。
雖然本書第二版所有的撰寫人都作了很大努力，力圖收集、歸納、總結、評價鋁合金表面處理的國內外技術最新發展以及我國鋁合金表面處理生產的實際經驗，希望對我國鋁材表面處理的技術進步有所幫助,雖然主編對第二版所有章節進行了勘誤、核對和潤飾，但是鑒於本人知識和經驗的局限，鋁表面處理的知識領域相當寬廣，技術發展又非常迅速，新版的內容可能還有不能完全滿足讀者需要的地方,也可能還有不當之處，懇請專家、讀者不吝指正。

主編 朱祖芳

第1章引論1
1.1鋁的耐腐蝕性能2
1.2鋁的腐蝕形態8
1.3鋁合金14
1.3.1變形鋁合金系15
1.3.2鑄態鋁合金系18
1.4鋁合金表面技術概述19
1.5鋁的陽極氧化技術21
1.5.1鋁陽極氧化膜的特性21
1.5.2鋁合金的陽極氧化工藝適應性22
1.5.3鋁陽極氧化膜的應用24
1.6鋁的其他表面處理技術24
1.6.1鋁的化學轉化技術25
1.6.2鋁的塗裝技術25
1.6.3鋁的電鍍和化學鍍26
1.6.4鋁的琺瑯和搪瓷塗層技術27
1.7我國鋁表面處理的工藝現狀和創新前景27
1.7.1我國當前鋁材表面處理的環境效應的評價28
1.7.2從環境友好出發對鋁表面處理工藝創新31
參考文獻34

第2章鋁的表面機械預處理36
2.1磨光36
2.1.1磨光輪37
2.1.2磨料的選用37
2.1.3磨輪與磨料的黏結38
2.1.4磨光操作要求38
2.2拋光39
2.2.1拋光機理39
2.2.2拋光劑的類型41
2.2.3拋光劑的選擇42
2.2.4拋光輪的種類、制作和功用42
2.3拋光機械及操作44
2.3.1拋光機械的主要部件、類型和功用45
2.3.2拋光操作48
2.4磨光、拋光常見問題及解決辦法49
2.5其他機械處理方法50
2.5.1噴砂（丸）50
2.5.2刷光50
2.5.3滾光51
2.5.4磨痕裝飾機械處理51
參考文獻51

第3章鋁的化學預處理52
3.1概述52
3.2脫脂53
3.2.1酸性脫脂54
3.2.2堿性脫脂54
3.2.3有機溶劑脫脂55
3.3堿洗56
3.3.1堿洗原理56
3.3.2堿洗工藝57
3.3.3槽液回收及循環利用58
3.3.4長壽命添加劑堿洗工藝60
3.3.5堿洗缺陷及對策62
3.4除灰64
3.4.1硝酸除灰64
3.4.2硫酸除灰65
3.5氟化物砂面處理67
3.5.1典型工藝條件67
3.5.2槽液沉澱物處理方法68
3.5.3缺陷及對策69
參考文獻69

第4章鋁的化學拋光和電化學拋光70
4.1概論70
4.2化學和電化學拋光歷程與機理73
4.2.1化學拋光74
4.2.2電化學拋光75
4.3以磷酸為基的化學拋光工藝76
4.3.1磷酸-硫酸化學拋光76
4.3.2磷酸-硝酸化學拋光78
4.3.3磷酸-硫酸-硝酸化學拋光79
4.3.4磷酸-乙酸-硝酸化學拋光80
4.3.5磷酸為基的化學拋光生產設備81
4.3.6含硝酸的磷酸基化學拋光液的工藝因素81
4.4硝酸-氟化物化學拋光工藝83
4.4.1硝酸-氫氟酸-阿拉伯膠化學拋光83
4.4.2硝酸-氫氟酸-芳香胺化學拋光85
4.5典型的電化學拋光工藝86
4.5.1碳酸鈉-磷酸三鈉堿性電化學拋光86
4.5.2磷酸-鉻酸-硫酸電化學拋光88
4.5.3氟硼酸電化學拋光91
4.5.4硫酸-鉻酸電化學拋光92
4.5.5無鉻酸電化學拋光93
4.6拋光缺陷及對策94
4.6.1化學拋光缺陷及對策94
4.6.2電化學拋光缺陷及對策95
參考文獻96

第5章鋁的化學轉化處理98
5.1化學轉化處理的技術進展98
5.2化學氧化100
5.2.1化學氧化膜的用途100
5.2.2化學氧化膜的性能100
5.2.3化學氧化膜的生長102
5.2.4化學氧化膜的成分102
5.3鉻酸鹽處理102
5.3.1鉻酸鹽處理溶液103
5.3.2鉻酸鹽處理反應104
5.3.3鉻化膜的性狀104
5.4磷鉻酸鹽處理105
5.4.1磷鉻酸鹽處理溶液106
5.4.2磷鉻化膜的生成106
5.4.3磷鉻化膜的性狀107
5.5磷酸鹽處理108
5.6無鉻化學轉化處理108
5.6.1無鉻化學轉化處理109
5.6.2無鉻化學轉化膜的性狀111
5.7無鉻化學轉化技術的研究動態112
5.7.1有機硅烷處理112
5.7.2稀土鹽轉化處理113
5.7.3有機酸轉化處理114
5.7.4SAM處理114
5.8化學轉化膜的鑒別114
5.8.1外觀檢驗115
5.8.2膜厚檢驗115
5.8.3附著性檢驗115
5.8.4腐蝕試驗115
參考文獻115

第6章鋁陽極氧化與陽極氧化膜117
6.1鋁陽極氧化的過程118
6.1.1鋁陽極氧化按照電解溶液性質的分類118
6.1.2鋁陽極氧化的反應過程120
6.1.3陽極氧化過程中鋁合金合金化成分的影響122
6.2陽極氧化膜的結構與形貌123
6.2.1陽極氧化膜的多孔型結構與形貌的直接觀測123
6.2.2陽極氧化膜的結構模型和結構參數125
6.2.3多孔型陽極氧化膜的微孔形成127
6.3多孔型陽極氧化膜的厚度、結構和成分128