阳极氧化金属的优缺点

蕾妮·纽曼

您知道吗，无需加热、电镀、搪瓷或腐蚀性化学品即可在金属上创造出永久的颜色和图案（图 1）？ 这可以通过在金属浸泡在肥皂水中或用湿海绵/湿刷接触时使受控电流通过它们来对活性金属（例如钛和铌）进行。 这是一种称为“阳极氧化”的电解过程。

在此过程中，受控电流会在金属表面形成一层透明的氧化膜，由于氧化层和金属表面都会反射光，因此会造成光干扰。 肉眼所感知的颜色外观取决于层的厚度和表面光洁度。 使用的电压决定了氧化物沉积物的厚度和获得的表观颜色。 棕色需要最少的电压（大约 10-15 伏），绿色需要最多的电压（85-90 伏）。 由于颜色是由光干涉而不是染料产生的，因此它们类似于肥皂泡或漂浮在水面上的油。 因此，您不应期望在纯阳极氧化金属上看到黑色、红色或深橙色染色。 然而，可以通过将木炭加热使其变红来制造黑铌。

其他活性金属（包括钽、铝和锆）也可以通过阳极氧化着色； 然而，由于钛和铌更容易获得并且更常用于珠宝，因此这些材料是本文的重点。 事实上，阳极氧化铝是一个更复杂的过程，除了电流之外，它还涉及加热和化学品。 阳极氧化铝颜色均匀，无法达到阳极氧化铌和钛中的彩虹色。

钛和铌都是商业生产的，这意味着最初的锭重将超过 10,000 磅。 个别锻造产品的数量很少，按磅或公斤出售。 （为简化购买流程，产品可以按平方英寸和平方英尺出售给个人。）

铌 (Nb) 是一种闪亮的灰色且具有延展性的金属，以其在阳极氧化过程中可获得的美丽颜色而闻名（图 2 和 3）。 1801年由英国化学家查尔斯·哈切特发现，并命名为“钶”。

四十年后，这种金属被德国化学家 Hienrich Rose 重新发现。 他将其命名为“铌”，以希腊神话中坦塔罗斯的女儿尼俄柏命名，因为铌与金属钽有着密切的关系。 直到1950年，“铌”这个名称才被国际理论与应用化学联合会（IUPAC）正式采用。

巴西是铌的主要生产国，尽管魁北克是另一个主要生产国。 位于圣奥诺雷 (Saint-Honoré) 的 Niobec 矿场出产约 8% 至 10% 的世界铌矿，是唯一的地下铌矿。

除了制作珠宝之外，这种金属还有多种用途。 铌强化钢材，对喷气发动机部件和核工业很重要。 它也被添加到玻璃中，使材料具有更高的折射率，并允许光学工业制造更薄的矫正镜片。 铌还用于起搏器以及 MRI 扫描仪中的超导磁体。

寻找结实且舒适的首饰的人们被钛所吸引（图 4 和 5）。 事实上，使这种金属成为航空航天工业理想材料的出色强度和重量轻，同样适用于戒指和手表，因为这些部件需要能够承受大量磨损。

钛 (Ti) 于 1791 年首次被发现，但直到 1940 年代威廉·J·克罗尔 (William J. Kroll) 发明其精炼工艺后才开始商业化。 自 20 世纪 70 年代以来，它一直用于珠宝，并且越来越受欢迎，不仅作为阳极氧化金属，而且作为替代灰色金属。

Reactive Metals Studio, Inc. 总裁 Bill Seeley 以及题为“如何阳极氧化活性金属：给铌和钛着色”的 YouTube 视频的创作者说，钛合金有 30 多种，其中三种常用于珠宝：

• 1 级：商业纯。 延展性； 易于培训和使用手动工具工作。
• 2 级：商业纯。 延展性较差； 更硬，更容易加工，更容易获得。
• Grade 5/Grade 23 6/4 ELI：含 6% 铝和 4% 钒的钛合金； tough, tough, strong, 可用。

比较这两种金属时，铌和钛有很多共同点。 两个都：

• 是低过敏性的。
• 可以使用阳极氧化工艺制成多种鲜艳的颜色。
• 与钯金、铂金和白金相比非常便宜。
• 抗锈蚀和腐蚀，不会使皮肤变色。
• 重量低于贵金属（铌和钛的 SG 分别为 8.57 和 4.51，而 18k 黄金为 15.58）。
• 不能在露天退火； 必须在真空或惰性气氛下加热。
• 难以确定尺寸——一般珠宝商无法确定铌和钛戒指的尺寸； 应将它们发送给制造商或由金属专家确定尺寸。

最后，根据硬度表，铌和钛比纯金、铂、银和钯更硬。 两者的莫氏硬度均为 6，尽管硬度值可能会产生误导。

“根据我们的经验，纯铌或合金的铌不如金、铂或钯硬，”Exotica Jewelry 的 Sandy Boothe 说。 “纯钛比这些金属中的任何一种都硬，一些白金合金除外。我们不使用飞机级钛，但几乎可以肯定它比这些金属中的任何一种都硬。任何贵金属合金。

Seeley 同意硬度值并不能反映铌的实际工作特性。 他说铌的硬化速度非常慢，并补充说，“当你拿起铌锤或狩猎工具时，你不会相信它的硬度数字。”

阳极氧化铌和钛首饰需要特别小心。 这是因为这些金属的氧化膜很容易被划伤和刮掉，可以去除颜色。 因此，阳极氧化铌和钛最适合用于耳环、项链、吊坠和胸针； 它不太适合容易受到冲击的戒指。 当然，也有例外。 例如，当着色仅限于钛戒指的凹陷区域时，它可以承受终生磨损，这与表面着色的戒指不同。 铌很少单独用于戒指。

用于金属阳极氧化的工艺也会影响金属氧化物涂层的耐久性。 Zoltan David 是匈牙利、加拿大和美国公民，曾在加拿大担任银匠和设计师 10 年，开发了专有技术来创造持久、持久的色彩。 一个例子可以在她的火蛋白石、钛和纯金“暮光之城”项链中看到，如图 6 所示。

阳极氧化铌和钛可以使用外用酒精、Windex 或温和的非保湿肥皂和软布清洁。 不应使用金属抛光剂或研磨皂，因为它们可能会逐渐腐蚀表面着色。

虽然阳极氧化珠宝需要特别小心，但它也有一些好处。

具体来说，由这些金属制成的首饰是：

1）稳定。 颜色不受阳光影响，不褪色。 虽然颜色可以刮擦掉，但不能剥落，因为涂层是金属的一部分。 航空航天公司使用阳极氧化工艺来保护金属免受老化、磨损和腐蚀的影响。

2) 工作安全（前提是珠宝商戴橡胶手套）。 阳极氧化不涉及可能对人体健康有害的化学物质或烟雾。 此外，涂层是无毒的。

3）成本低。 阳极氧化工艺和金属成本非常实惠，尤其是与贵金属相比。 铌和钛按磅或千克出售，而不是按克或金衡盎司出售。

4）有吸引力！ 阳极氧化可以获得多种鲜艳的颜色，这是其他金属着色方法无法实现的（图 7）。 阳极氧化铌或钛对于任何寻找引人注目、与众不同的珠宝的人来说都是完美的金属选择。

GG 蕾妮·纽曼 (Renée Newman) 是一位宝石学家，也是 金、铂、钯、银等首饰金属 以及其他 13 本关于珠宝和宝石的书籍。 在洛杉矶市中心的 Josam Diamond Corporation 监督珠宝质量控制时，她对珠宝金属产生了兴趣。 他关于金属的书被德克萨斯珠宝技术学院用作教科书。 有关纽曼及其书籍的更多信息，请访问 www.ReneeNewman.com。