一、引言
鋁為面心立方結構，有較好的導電性和導熱性，僅次于Au、Ag、Cu，延展性好、塑性高，可進行各種機械加工。
鋁的化學性質活潑，在干燥空氣中鋁的表面立即形成厚約5nm的致密氧化膜，使鋁不會進一步氧化并能耐水；但鋁的粉末與空氣混合則極易燃燒；熔融的鋁能與水猛烈反應，高溫下能將許多金屬氧化物還原為相應的金屬；鋁是兩性的，既易溶于強堿，也能溶于稀酸。鋁在大氣中具有良好的耐蝕性，但純鋁的強度低，只有通過合金化才能得到可作結構材料使用的各種鋁合金。
鋁合金的突出特點是密度小、強度高。鋁中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蝕性，良好的塑性和較高的強度，稱為防銹鋁合金，用于制造油箱、容器、管道、鉚釘等。硬鋁合金的強度較防銹鋁合金高，但防蝕性能有所下降，這類合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近開發的高強度硬鋁，強度進一步提高，而密度比普通硬鋁減小15％，且能擠壓成形，可用作摩托車骨架和輪圈等構件。Al-Li合金可制作飛機零件和承受載重的高級運動器材。因為在鋁中加入3％～5％(質量分數)的比鋁更輕的金屬鋰，就可以制造出強度比純鋁高20％～25％，密度僅2.5t/m3的鋁鋰合金。這種合金用在大型客機上，可使飛機的重量減少5t多，而載客人數不減少。
將鋁及其合金置于適當的電解液中作為陽極進行通電處理，此處理過程稱為陽極氧化。經過陽極氧化，鋁表面能生成厚度為幾個至幾百微米的氧化膜。這層氧化膜的表面是多孔蜂窩狀的，比起鋁合金的天然氧化膜，其耐蝕性、耐磨性和裝飾性都有明顯的改善和提高。采用不同的電解液和工藝條件，就能得到不同性質的陽極氧化膜。
早在1896年，Pollak就提出了在硼酸或磷酸溶液中直流電解，可得到“堡壘”型氧化膜的。到20年代，這個工藝在工業上用于制造電解電容。
陽極氧化最初的商業應用是鉻酸陽極氧化。GDBengough和JMStuart在研究鋁上鍍鉻時，因接錯線發現了鋁表面生成了陽極氧化膜。當時的電解液的組成是250g/L鉻酸，2.5g/L硫酸。后來人們進一步研究發現，這種氧化膜可以被墨水或染料染色，氧化膜厚度為3～5μm，工作電壓約50V。這種工藝首先用于飛機制造業，用于油漆的底層，防止裂紋和提高耐蝕性。
1927年，日本的Kujirai和Ueki首先采用草酸電解液陽極氧化，可以得到15mm以上的氧化膜，但工作電壓比硫酸陽極氧化高。這種工藝先在日本普及，后來傳到德國，逐步被歐洲人采用，用于店面和建筑物的裝飾。
1927年，Gower、StaffordO'Brien和Partners4發表了硫酸陽極氧化的，氧化的電流密度為0.7～1.3A/dm2，這種電流密度一直延用到現在。硫酸陽極氧化與草酸和鉻酸陽極氧化相比，工作電壓更低，電解液成本更小，操作更簡單，氧化膜裝飾性更強，所以這種工藝很快得到完善和普及。目前95％以上的陽極氧化是在硫酸中進行的，陽極氧化如果沒有特別指明，通常是指硫酸陽極氧化。
二、前處理
1．脫脂和除油
鋁及鋁合金早期是延用鋼鐵的除油工藝，即：槽液為Na2Co3、Na2SiO3、Na3PO4溶液，操作溫度為40～70℃，時間為5～15min。這種工藝性能穩定，壽命長，但槽液成本高，不易洗凈，現在基本不用。
20世紀60年代，人們采用NaOH或Na2CO3加Na3PO4、絡合劑、非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑，在室溫下脫脂，時間為3～5min。這種工藝除油效率高，成本低，節能，但槽液易產生絮狀沉淀，絡合劑、表面活性劑易帶入后續槽形成污染?，F在少數廠仍在使用。
從80年代開始，酸性脫脂槽液逐步普及，槽液為H2SO4或H2PO4，加HF、Fe3+、H202、NO2-和非離子表面活性劑，室溫下操作，時間為3～5min。這種工藝效率高，不污染后續槽，是較好的脫脂工藝，現在應用越來越廣泛。典型工藝：
H2SO410g/L
H3PO410g/L
HNO310g/L
HF10g/L
表面活性劑2g/L
過硫酸鈉5g/L
溫度45～70℃
時間10～120s
2．堿腐蝕
鋁及其合金陽極氧化之前需要除去致密但不均勻的自然氧化膜，對高硅鋁合金，采用HN03、HF混合溶液，在室溫下操作，時間3～5min，工作時會產生有毒氣體。一般不用于其他鋁合金，其他鋁合金采用以NaOH溶液為主的堿性槽液，NaOH的濃度為30～70g/L，操作溫度為40～80℃，時間為3～10min。堿腐蝕工藝維護簡單，成本低，腐蝕效果好，易于除去鋁合金表面的加工條紋，是陽極氧化重要的配套工藝。目前單獨使用NaOH溶液作堿腐蝕已很少見，往往加入葡萄糖酸鈉、檸檬酸鈉等絡合劑，防止槽液中Al(OH)3沉淀，即所謂“長壽堿”。加入硫化物，防止重金屬在鋁合金表面發生置換反應，消除“流痕”。也有的加入氟化物和硝酸鹽，用于產生無光砂面效果。
3．電解拋光
機械拋光后陽極氧化，往往很難保持拋光后的光澤，這主要是機械拋光的局部表面壓力不均，陽極氧化產生無光表面，所以機械拋光不能直接用于光亮陽極氧化。
1934年在英國和美國，幾乎同時發明了電解拋光工藝“Brytal”和“Alzak”，在堿性(Brytal工藝)或氟硼酸(Alzak工藝)溶液中陽極電解10～20min，得到較高反射率的表面，并在陽極氧化后繼續保持下來。電解拋光是利用電流的作用，使鋁合金發生電化學反應，在鋁合金表面凸凹不平的部分發生不同程度的溶解，使鋁件表面產生光滑的鏡面效果。電解拋光的鋁件，經過后續的陽極氧化處理仍能保持大部分光澤。電解拋光的鋁件有較好的耐蝕性，即使未經陽極氧化處理也能在大氣中很長時間不銹蝕，保持原有的光澤。二次世界大戰，鋁的反光鏡需求大，這一期間鋁的電解拋光發展很快。
高純鋁片(99.99％)經過電解拋光，可以得到反射率接近100％的鏡面效果。鋁片的純度越高得到的反射率越高。常用的工藝有：磷酸-鉻酸型，磷酸-硫酸，鉻酸型，高氯酸-醋酸型，磷酸-硫酸-甘油型，氟硼酸型，碳酸鈉-磷酸鈉型，氫氧化鉀-鉻酸型。操作溫度為室溫至90℃，電流密度10～20A/dm2，有的工藝高達150A/dm2。
電解拋光的主要污染物是六價鉻，近年來，隨著環保意識的加強，不含鉻酸的電解拋光處理液逐步盛行。不含鉻酸的電解拋光處理液的主要問題是，對有些合金拋光不夠亮。另外，鋁合金在這種處理液中拋光后，不通電的條件下亮度會迅速下降，需要立即從處理液中取出、水洗，這給該工藝的廣泛應用帶來一定的影響。后來，有人在這種處理液中添加某種添加劑，使這兩個問題有所緩解。
電解拋光工藝成熟，污染小，但工作電流大，成本高，目前用于高亮度、高裝飾性鋁件的加工。
4．化學拋光
化學拋光是40年代后期發明的，當時Henley在做磷酸-硫酸型的電解拋光，沒有通電時，發現鋁件的腐蝕有光亮效果，接著他仔細研究了這個現象，得到最早的化學拋光工藝：磷酸75％(體積)，硫酸25％(體積)，操作溫度為90～100℃。后來人們發現在上述工藝中加10％的硝酸，可以得到特別光亮的效果，這時化學拋光才在工業中應用起來，相應的陸續公布。光亮陽極氧化穩定地進入市場，替代了部分鋼或銅上鍍鎳-鉻工藝。
化學拋光不需要通電，也不需要專用夾具，操作簡單，但需要良好的加熱和通風設備，使用高純鋁能得到反射率為100％的效果，普通鋁合金也能達到裝飾性的光澤度。由于化學拋光比電解拋光成本低，所以大多數光亮陽極氧化是用化學拋光配套的。最常用的化學拋光工藝是：磷酸75％(體積分數)，硝酸150％(體積分數)，硫酸10％(體積分數)，操作溫度為90～110℃，時間為0.5～3min。有的工藝只有磷酸和硝酸，有些加了醋酸、鉻酸或氫氟酸。添加少量的鉆鹽、鎳鹽、銅鹽可以增加拋光的亮度?；瘜W拋光最大的缺點是會產生NOX有毒氣體，黃色的NOX氣體是強烈的致癌物質，是化學拋光車間難以揮去的“黃龍”。人們采用了許多辦法來解決這一技術難題，日本的Tajima，采用“籠形”化合物吸收有毒氣體，得到無黃煙化學拋光新工藝；德國對于純度達99.99％的鋁件，采用16％(體積分數)的氟化氫銨，13％(體積分數)硝酸，25g/L的糊精，操作溫度較低，析出氣體很少。Kaiser鋁和化學品公司發明了類似的工藝(體積分數)：2.5％硝酸，0.60％，氟化氫銨，0.6％鉻酸，0.6％甘油，0.05％硝酸銅。也有在磷酸－硫酸配方中加有機硫化物替代硝酸，得到無黃煙拋光工藝。
除了酸性化學拋光以外，還有堿性化學拋光工藝，但堿性化學拋光的效果遠不及酸性化學拋光，所以較少應用。典型的堿性拋光配方含：NaOH、NaNO2、NaNO3、Na3PO4、Cu(NO3)2等，堿性化學拋光無有毒氣體析出。
三、陽極氧化
1．硫酸陽極氧化
硫酸陽極氧化有以下特點：
(1)槽液成本低，成分簡單，操作維護簡便，一般只需將硫酸稀釋到一定的濃度即可，無需添加其他化學藥品，推薦使用化學純硫酸，雜質較少的工業級硫酸也可采用，所以成本特別低。
(2)氧化膜透明度高。純鋁的硫酸陽極氧化膜，是無色透明的，對于鋁合金，隨著合金元素Si、Fe、Cu、Mn的增加，透明度會下降。相對其他電解液，硫酸陽極氧化膜的顏色是最淺的。
(3)著色性高，硫酸氧化膜透明，多孔層吸附性強，易于染色和著色，著色鮮艷不易退去，有很強的裝飾作用。
(4)硫酸陽極氧化操作條件為：
H2SO4(體積)10％～30％
溫度℃18～22
Al/g.L-1≤20
電流密度/A.dm-20.6～3
時間/min10～60
2．草酸和鉻酸陽極氧化
草酸陽極氧化在日本應用較普遍，草酸氧化膜的特點和硫酸氧化膜相近，孔隙率低于硫酸氧化膜，耐蝕性和硬度高于硫酸氧化膜。草酸的槽液成本和操作電壓高于硫酸，有些合金的草酸氧化膜顏色較深。草酸和硫酸陽極氧化都需要良好的冷卻系統配套。
草酸陽極氧化操作條件為：
草酸(體積分數)2％～10％
溫度/℃15～35
電流密度/A.dm-20.5～3
電壓/V40～60
鉻酸陽極氧化膜特別耐腐蝕，主要應用干飛機制造工業，鉻酸氧化膜和油漆的附著力強，也用于作油漆的底層，鉻酸陽極氧化膜灰色不透明，一般不用于裝飾。
鉻酸陽極氧化操作條件為：
Cr03/g.L-130～100
溫度/℃40～70
電流密度/A.dm-20.1～3
電壓/VO～100
時間/min35～60
3.硬質陽極氧化
在二世界大戰后期，為了提高陽極氧化膜的硬度和厚度，把硫酸氧化槽的溫度降低至0℃，電流密度提高至2.7～4.0A/dm2，獲得了25～50μm的“硬質氧化膜”。用草酸加少量硫酸可以在5～15℃得到硬質氧化膜。有些用優化硫酸的濃度，加有機酸或其他添加劑，如苯六羧酸進行硬質陽極氧化。
在蘇格蘭，Campbell發明了采用交流—直流疊加電源，電解液高速流動，0℃，電流密度25～35A/dm2，獲得100μm的硬質陽極氧化膜。
現在，脈沖電流用于硬質陽極氧化時，特別是高銅鋁合金一般很難硬質陽極氧化，使用脈沖電流可以防止“燒蝕”。還有許多電源用于硬質陽極氧化，交流加直流，各種頻率的單相或三相脈沖電流、反相電流等。傳統的直流硬質陽極氧化，電流密度一般不能超過4.0A/dm2，單相整流脈沖電源，電流的脈沖峰值可以很大，但保持氧化膜厚度的均勻一致是重要的問題。
由于硬質陽極氧化膜具有獨特的硬度和耐磨性，所以正逐步被航空、航天、自動化、汽車、計算機設備、電子和其他工業采用。目前正在開發用聚四氟乙烯、二硫化鉬等固體潤滑劑封閉，使硬質陽極氧化膜具有自潤滑性能，應用前景更加廣泛。
