铝合金的阳极氧化及电解着色工艺

铝合金的阳极氧化及电解着色工艺铝合金阳极氧化电解着色是铝合金表面处理中重要的方法之一。将铝合金置于适当的电解液中作为阳极通电处理，表面会生成厚度为几个至几十个微米的阳极氧化膜，氧化膜的表面是多孔蜂窝状的。上世纪60年代，人们开始利用氧化膜的多孔性，将阳极氧化和电沉积技术相结合发明了电解着色技术。铝合金阳极氧化电解着色技术最初起源于欧洲，由于该工艺操作简便、工艺简单、成本低廉，广泛应用于汽车、航空、造船、机械、建筑和日常生活等多方面。我国的电解着色技术开始于上世纪80年代，一直以来都是镍盐、锡盐电解着色工艺，由于颜色单一、着色液的稳定性和分散性差等问题一直没有得到很好解决，而且随着时代的进步，工业上对电解着色的工艺条件和应用要求越来越高，为了满足市场的需要，鑫申金属研究人员一直在做着不懈的努力。1.1铝的性能和用途铝(Afuminum)是自然界中分布最广，储量最多的元素之一，广泛分布于岩石、泥土和动、植物体内，其含量约占地壳总质量的8.2%，仅次于氧和硅，比铁(约占2.1%)、镁(约占2.1%)和钛(约占0.6%)的总和还要多川。1854年，法国化学家德维尔把铝矾土、木炭、食盐混合，通人氯气后加热得到NaCI，AIC13复盐，再将此复盐与过量的钠熔融，得到了金属铝。这时的铝生产工艺复杂，成本高，应用非常有限，直到1886年，美国的豪尔和法国的海朗特，分别独立地电解熔融的铝矾土和冰晶石的混合物制得了金属铝，奠定了今天大规模生产铝的基础。一个世纪的历史进程中，铝的产量急剧上升，到了20世纪60年代，铝在全世界有色金属产量上超过了铜而位居首位，它的用途涉及到许多领域，大至国防、航天、电力、通讯等，小到锅碗瓢盆等生活用品。它的化合物用途非常广泛，不同的含铝化合物在医药、有机合成、石油精炼等方面发挥着重要的作用。纯的铝很软，强度不大，有着良好的延展性，可拉成细丝和轧成箔片，大量用于制造电线、电缆、无线电工业以及包装业。它的导电能力约为铜的三分之二，但由于其密度仅为铜的三分之一。铝的导热能力比铁大三倍，工业上常用铝制造各种热交换器、散热材料等，家庭使用的许多炊具也由铝制成。与铁相比，它还不易锈蚀，延长了使用寿命。铝粉具有银白色的光泽，常和其它物质混合用作涂料，刷在铁制品的表面，保护铁制品免遭腐蚀，而且美观。在纯铝中添加Cu、Mg、Mn、Zn、Si、Ni、Ti、Cr等元素，能生产出满足各种性能和用途要求的铝合金。与其它金属相比，铝具有一系列比其他有色金属、钢铁、塑料和木材等更加优良的特性，鑫申金属研发生产出来的铝密度小、仅为2.7g/L，约为铜或钢的1/3;良好的耐蚀性和耐候性;良好的塑性和加工性能;良好的导热性和导电性;良好的耐温性能，对光热电波的反射率高、表面性能好;无磁性;基本无毒;有吸音性;耐酸性好;防核辐射性能好;弹性系数小;良好的力学性能;良好的铸造性能和焊接性能;良好的撞击性等。因此，铝材在航天、航海、航空、汽车、交通运输、桥梁、建筑、电气电子、能源动力、冶金化工、农业排灌、机械制造、包装防腐、电器家具、日用文体等各个领域都获得了十分广泛的应用。鑫申金属铝是电负性很强的金属，对氧原子有着很强的亲和力，铝在空气中会生成一层薄而致密的氧化膜，这层氧化膜具有一定的保护作用，同时这层自然氧化膜对其它任何形式的表面处理和装饰性加工都具有重大意义。随着社会经济的发展和新技术的不断涌现，铝及其合金材料应用领域不断拓展，其应用的环境变得越来越苛刻，在防腐蚀、耐磨损、耐强度以及耐高温高压等方面提出了愈来愈高的要求。传统的铝表面处理技术己经很大程度上不能满足这些要求。因此，鑫申金属研究开发铝表面保护和表面强化技术对扩宽铝的应用领域，提高其应用价值具有重大意义。目前铝及其合金表面处理方法主要有化学转化膜处理、阳极氧化、电镀、有机涂层、激光加工技术和离子注入技术等。阳极氧化是最常见的铝表面处理方法之一，得到了广泛的应用，成为目前铝表面处理领域中最为重要的处理方法，它是利用电化学方法在铝表面形成一层转化膜。这种转化膜具有一定的硬度、耐磨性和耐蚀性，而且还具有一定装饰性，能够满足许多应用领域的技术要求。1.6阳极氧化膜的电解着色如前面所述，铝阳极氧化膜具有多孔性和可吸附性，是最理想的着色载体。通过着色不仅可以提高产品的装饰性和耐蚀性，同时给铝制品表面以各种功能特征，增加商业价值。目前鑫申金属已经开发出很多氧化膜着色技术，大体上可以分为化学着色和电解着色。电解着色法按其发色特点，可分为一步电解着色法、二步电解着色法和其他着色新技术等。1.6.1一步电解着色法一步电解着色法也称为溶液着色法。是工件在特定的电解液中电解处理，直接得到有颜色的氧化膜，即氧化和着色同步完成的方法。按照着色原因不同，又可分为合金发色法和特殊电解液氧化着色。该法着色范围窄，操作工艺严格而复杂，膜层颜色受材料成分、加工方法等因素影响很大，因此在应用上受到一定限制。目前，一步电解着色法应用最广的有:草酸钦钾法、铬酸法、混酸法、卡尔考拉法、雷诺法等等。1.6.2二步电解着色技术二步电解着色法是以硫酸一次电解的透明阳极氧化膜为基础，在含有金属盐的溶液中用直流或交流进行电解处理而使氧化膜着色的方法。该方法按电源波形分类，可分为直流法和交流法;按着色溶液分类，可分为单一金属盐、多种金属盐和二种着色液着色法。这种工艺的优点是操作简单、投资较小、成本低廉，存在不足是色差较大、校色和补色操作难度大，产品颜色单一。1.6.3其它着色新技术由于电解着色氧化膜的色彩比较单调，局很于香槟色一古铜色一黑色。20世纪80年代开始，欧洲和日本相继研究利用干涉光效应实现多色彩阳极氧化膜的目的。多色彩电解着色技术，又称为三次多色电解着色技术，其着色原理完全不同于普通电解着色，其不是依靠散射光显色，而是依靠干涉光显色，得到所谓太阳光的彩虹色系。多色彩电解着色技术是当前最先进的电解着色技。它是在二次电解着色工艺基础上开发出的一种利用光干涉原理，达到改变被处理材料表面颜色的技术，即在电解着色处理前，增加一次磷酸阳极氧化扩孔工序,以改变氧化膜的结构和几何尺寸，达到改变光的反射路径，从而使铝表面颜色由青铜色系列调变为黄色、金黄色、橙色、红褐色等多种鲜艳色调的电解着色法。前言铝和铝合金具有密度小、质量轻、耐腐蚀、易加工成型等优良性能，作为型材已广泛应用于许多产业部门及人们的日常生活中，随着科学技术的进步，近年来逐步向汽车工业、宇航、海洋应用等方面拓展。改善和提高其表面特性，集装饰性和艺术性于一体，已成为铝合金型材产品发展的又一个趋势。我们运用铝及铝合金电解着色新技术、工艺，进行实际生产，结果着色均匀、色膜平滑、牢固，取得了较好效果。2工艺流程及筋方为了获得表面装饰效果，在铝合金型材电解着色之前，必须进行表面预处理。预处理的好坏，直接影响电解着色的质量。其一般工艺流程如下:除油~水洗一酸蚀~水洗~碱蚀~水洗~活化处理~阳极-氧化~水洗~电解着色~水洗~封闭~干燥。2.1化学除油化学除油是借助化学反应和物理化学作用，除去铝合金型材表面的油污，并将其表面均匀地腐蚀，以消除铝型材表面的不均匀状况溶液的组成及操作条件为:NaOH6一109/LNa3PO4.12H2O30-45g/LNa2CO310~12g/L洗涤剂0.5~1.0g/L温度25~35C时间30~40s经以上酸蚀之后的铝合金制件，必须立即用流动的温水或冷水清洗掉其表面的残液。2.3碱蚀碱蚀的目的是利用碱性清洗剂将铝合金制件表面的各种污物除去。其溶液的组成与工艺条件为:NaOH10~20g/LNS一101(碱蚀剂)20一30g/L十二烷基硫酸钠1~2g/L温度50一65C时间l一3min处理后立即用清水清洗。2.4活化处理经前处理的制件表面必须再活化处理，以防其表面生成自然氧化膜，影响电解着色。其活化溶液配方及工艺条件为:KMnO4l一4g/LH2SO4(95%一98%)10一1g/L温度室温时间20~30s2.5阳极氛化为了获得一定的孔隙率和膜厚的均匀的氧化膜以便于着色，根据生产条件，本工艺选用快速阳极氧化法，其溶液稳定、操作简单、成本低。为了拓宽阳极氧化的电流密度、工作温度和降低溶液中杂质的影响，添加了缓蚀剂。其配方和工艺条件为:H2SO4(95%一98%)160一180g/L缓蚀剂10一12g/L磺基水杨酸20g/L电流密度1.0~2.0A/dm2电压(交流)18一25V温度15~35℃时间15~20min阳极氧化后的铝合金制件，需经二次水洗，要严格控制掌握水洗槽的pH值，pH值一般控制在4~5，严禁超标。2.6电解着色(古铜色)在参考先进配方的基础上，结合生产实际选定硫酸镍、硼酸为主的电解着色溶液，其配方和工艺条件下：NiSO4.7H2O20一25g/LH3BO325一30g/LNS一2018g/L电压14~20V温度室温时间2~10min该电解着色溶液添加了适量的NS一201电解着色稳定剂，使着色速度高于未添加稳定剂溶液的着色速度。这样可相应地降低Ni2+浓度，从而降低溶液的成本，同时也提高了溶液的分散能力，改善了着色的均匀性。电解着色时，随着温度的升高，离子扩散速度加快，色调加深，为使着色均匀，采用槽液循环搅拌法，在液面下进行搅拌。铝合金制件在阳极氧化后，需经二次水洗，第一个水洗槽pH值要在2以上，第二个水洗槽pH值要在4以上。料架进入着色槽内需静溃1min，使型材凹角内气泡逸出，电压升压要缓慢，控制在205左右，开始电流密度控制在1.0一1.2A/dm2，着色时间应从最大电压达到之后开始计算。着色结束后，所得颜色与标准色板进行比较，若颜色深，重新入槽静渍退色;若颜色浅要重新入槽进行补色。2.7封闭较为常用的封闭工艺采用高温和常温两种方法。我们将着色后的工作放在30‘C的NS一301常温快速封闭剂水溶液中进行封闭。这种封闭剂封孔速度快，且抗50;“一污染能力强，一般其含量在12g/L时仍能正常生产。工艺流程中每一步骤，都要求用流动水清洗到铝合金型材表面不挂有水珠为佳。2.8干燥该工序将着色封闭后的铝合金型材放在远红外烘干室内进行烘干干燥处理，其温度控制在50一60C，且不能将未烘干的铝合金型材堆放在一起。3、结果与讨论3.1电解溶液中杂质的影响铝合金型材着色好坏程度，绝大部分取决于氧化膜的形成质量。因此，在硫酸阳极氧化溶液中，杂质对氧化膜的影响不容忽视。其杂质主要是铜、铁、铝等金属离子及有机杂质污染物，要及时清除掉，保持溶液的正常使用范围。(l)铜离子会因置换作用沉积到铝合金表面上，造成氧化膜疏松，降低防蚀能力，其含量不能超过0.029/L。(2)铁离子超过0.29/L，将出现暗色条纹成斑点。(3)铝离子含量大于259/L时，电解液导电性能下降，铝合金型材表面出现白点或块状白斑等，造成着色困难。(4)有机杂质会阻碍氧化膜的生成，膜吸附油污后，使着色不均匀，出现花斑。3.2影响电解着色的主要因素(l)若前处理除油过程进行得不彻底，会造成膜层出现明显的白花斑，给着色带来困难。(2)电解溶液中Ni盐浓度过低时，上色速度慢，低于1g/L时，完全不上色。(3)着色液温度对着色有很大影响，温度低于15C时，上色速度慢，过高则着色膜发雾。(4)着色电压较低时，着色速度慢，颜色变化慢，容易产生色调不均，当电压较高时，着色速度快，着色膜易剥落。(5)无论在阳极氧化成膜或电解着色中，都要添加以表面活性剂为主的添加剂和稳定剂，其目的在于稳定成膜速度与膜厚，抑制氧化膜的溶解和改善着色的均匀性。4结论(l)本工艺适用于批量铝合金型材表面的装饰着色，具有设备简单、成本低、容易操作等特点。(2)本工艺在几个主要工序溶液中添加了以表面活性剂为主的添加剂、稳定剂，可有效地提高其工序质量。铝阳极氧化膜电解着色的研究研究确定了铝阳极氧化膜于镍一锡混合盐和镍一锰混合盐中电解着色的最佳配方，分析了各种因素对着色膜的影响，确定了镍一锰体系的着色工艺。实验表明，镍一锰体系所得着色膜性能优良，该工艺一旦推广应用于生产，将带来较大的经济效益2、实验方法鑫申金属研究人员用电解方法在铝表面上形成古铜色外观，