一種環(huán)保節(jié)能的標(biāo)牌制造方法

沈陽市標(biāo)牌制造廠 祁伯偉

一種環(huán)保節(jié)能的標(biāo)牌制造方法

沈陽市標(biāo)牌制造廠 祁伯偉

沈陽市標(biāo)牌制造廠是40年前由沈陽機(jī)床集團(tuán)前身（沈陽第一機(jī)床廠）支援下組建的一所校辦工廠，在過去的40多年中，主要產(chǎn)品是機(jī)床或機(jī)械設(shè)備的金屬凸凹面板、銘牌。伴隨國家機(jī)器制造業(yè)的高速發(fā)展，各種機(jī)器設(shè)備技術(shù)性能和科技含量不斷提高，國際市場(chǎng)所占份額不斷增大，機(jī)器制造業(yè)的強(qiáng)國地位不斷提高，陳舊的腐蝕噴沙工藝與國際通行的節(jié)能、環(huán)保、低碳的要求不相適應(yīng)，國際的環(huán)保、節(jié)水也要求我們必須走先進(jìn)國家的陽極氧化工藝。

為此沈陽市標(biāo)牌制造廠多年前到日本與世界機(jī)床行業(yè)排頭兵——日本馬扎克機(jī)床配套的標(biāo)牌生產(chǎn)廠家進(jìn)行過交流學(xué)習(xí)，看到世界頂級(jí)機(jī)床配上他們生產(chǎn)的各式鋁質(zhì)陽極氧化標(biāo)牌很協(xié)調(diào)高檔，他們生產(chǎn)環(huán)境在日本那樣環(huán)保要求非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)下，各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，當(dāng)時(shí)大家的印象是生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)捷、生產(chǎn)環(huán)境優(yōu)雅、產(chǎn)品高檔，回頭看當(dāng)時(shí)他們?cè)诃h(huán)保節(jié)能、低碳方面已做的非常好了，值得我們學(xué)習(xí)。

回來后，機(jī)床一廠領(lǐng)導(dǎo)也支持盡早生產(chǎn)出日本馬扎克機(jī)床的標(biāo)牌，當(dāng)時(shí)材料和技術(shù)的不熟練，產(chǎn)品質(zhì)量總是不十分理想，但對(duì)馬扎克機(jī)床標(biāo)牌的生產(chǎn)始終沒停過。隨著近年來國家對(duì)東北工業(yè)振興力度的加大，機(jī)器制造廠家要求生產(chǎn)出世界一流的標(biāo)牌配套產(chǎn)品。在同行的大力協(xié)助下，終于掌握并生產(chǎn)出馬扎克機(jī)床標(biāo)牌的合格產(chǎn)品，現(xiàn)將心得經(jīng)驗(yàn)與大家交流以待提高。

鋁的陽極氧化工藝雖有幾十年歷史，但在當(dāng)今仍是一項(xiàng)很有前途的技術(shù)，應(yīng)用廣泛，尤其在標(biāo)牌制造上，它節(jié)能、環(huán)保、低碳，適合大批量生產(chǎn)。

目前情況下，沈陽標(biāo)牌制造廠借鑒國內(nèi)外先進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)成果，獨(dú)立走出了一條自己的生產(chǎn)路線，其工藝技術(shù)如下：

1．鋁材選擇

2．堿腐蝕去灰

3．硫酸陽極氧化

4．水洗

5．染料上色

6．封閉

我們把堿腐蝕與去灰歸為：表面前處理。以上工藝過程對(duì)于不同類型的陽極氧化，工藝過程是可以變動(dòng)的。陽極氧化工藝的正確選擇是著色成功、生產(chǎn)合格標(biāo)牌的前提。下面把生產(chǎn)這六個(gè)環(huán)節(jié)做單獨(dú)介紹。

一、鋁材的選擇

鋁氧化及二次氧化標(biāo)牌，鋁材是關(guān)鍵。盡管技術(shù)要求要使用純鋁，事實(shí)上所有鋁的板材商品都是合金鋁，適合生產(chǎn)標(biāo)牌的合金鋁牌號(hào)有：1090、1080、1050、1030等，5052、6063牌號(hào)鋁材也可以。沒有牌號(hào)的冷軋鋁板是生產(chǎn)不出高檔氧化標(biāo)牌的。

二、鋁板的前處理

這道工藝的目的是為下步陽極氧化做好準(zhǔn)備，要求處理后的鋁板表面沒有油跡、劃痕、手印、氧化膜。實(shí)際上要求鋁板的表面沒有殘留的痕跡是不可能的，但痕跡的高低差應(yīng)該在40μm以下，這種表面的粗糙度能夠用指尖或指甲觸摸感到，越過這個(gè)數(shù)值過度粗糙的鋁板一般視為不合格。

堿蝕液使用20%NaOH水溶液，溫度50℃，時(shí)間2～5分鐘左右，堿蝕處理時(shí)間延長(zhǎng)或溫度升高是減輕鋁板表面劃痕的補(bǔ)救措施。如生產(chǎn)高反射表面氧化產(chǎn)品，就要使用弱堿性的，如碳酸鈉、磷酸鈉等弱堿配方。

堿蝕處理后，因?yàn)殇X被擇優(yōu)溶解，銅、硅、鐵這些不溶解的成分會(huì)留在鋁板表面，形成肉眼可見的黑灰，通常稱之為灰。除去這層灰是用15～20%的常溫硝酸溶液處理，用氧化廢硫酸液處理更好，只是處理時(shí)間要長(zhǎng)，并在硫酸槽中適當(dāng)加氧化劑。處理后的鋁板要求洗凈后不允許有硝酸殘液帶到下一道工藝。

三、氧化工序

鋁板的陽極氧化是生產(chǎn)高質(zhì)量氧化標(biāo)牌的核心環(huán)節(jié)。沈陽標(biāo)牌制造廠采用直流低壓電源，硫酸氧化槽液配方，采用190g/L，槽溫20℃，電流密度1.2A/dm2，水循環(huán)冷卻液流攪拌。

鋁氧化標(biāo)牌的色澤，一般都是用有機(jī)染料染色，凸凹標(biāo)牌還需進(jìn)行二次氧化處理，所以每次氧化所用的氧化時(shí)間、電流要有所不同：一般頭次氧化時(shí)間要短，二次氧化時(shí)間要長(zhǎng)。在氧化工序中，至關(guān)重要的環(huán)節(jié)是電流節(jié)點(diǎn)的處理，即夾持鋁件夾具與電源導(dǎo)電銅梁的連接。從電源到氧化件，應(yīng)該注意兩個(gè)重要的活動(dòng)電節(jié)點(diǎn)。

1．電源銅梁與夾具座盡可能要“面接觸”。如果這個(gè)位置的連接只是點(diǎn)接觸或線接觸，那在大電流通過時(shí)，就會(huì)發(fā)熱，造成電流的無效率損耗。減少用在鋁板上的有效氧化電流。為了保持良好的接觸，采用夾緊型電接觸裝置，銅材為接觸點(diǎn)是最好的選擇。

2．夾具與鋁板的接觸采用專用的鋁夾具，夾具與鋁板之間要保持5kg/mm2的壓力，如遇特殊形狀鋁件，可采用鈦夾具，鈦夾具的接觸力可達(dá)到20kg/mm2。

采用鋁質(zhì)的固定夾具應(yīng)注意鋁夾具的堿蝕而引起的松動(dòng)。嚴(yán)格認(rèn)真的鋁板前處理及通暢的夾具節(jié)點(diǎn)電流是生產(chǎn)鋁氧化標(biāo)牌的關(guān)鍵。氧化槽陰極采用鉛板，陰陽極比為1:1.5。生產(chǎn)陽極氧化標(biāo)牌，淺色調(diào)的氧化膜厚要達(dá)到6～9μm，黑色15～20μm，陽極氧化膜的厚度可由槽液的電流和時(shí)間控制。

一般情況下生產(chǎn)硫酸陽極氧化膜的厚度，按下式計(jì)算：

膜厚(μm) = 0.3(系數(shù))×電流密度(A/dm2)×?xí)r間(min)

例如：要生產(chǎn)17μm膜厚，電流為1.2A，其所用時(shí)間為：時(shí)間(min) =17/(0.3×1.2)=47(min)，即需要47分鐘。

四、水洗工序

鋁陽極氧化工藝各工序之間的水洗看似簡(jiǎn)單平常，實(shí)際上此工序非常關(guān)鍵。鋁板作為陽極進(jìn)行電化學(xué)氧化，會(huì)在鋁的表面生成陽極氧化膜，這個(gè)氧化膜是非常規(guī)整的，所謂蜂窩狀結(jié)構(gòu)，即六角形結(jié)構(gòu)，其中心有一個(gè)與鋁基體表面垂直的小直徑的微孔。對(duì)鋁材進(jìn)行陽極氧化處理后，生成多孔型陽極氧化膜，這層氧化膜的特點(diǎn)是透明的、非導(dǎo)電體、高硬度約為HV230，這層氧化膜的化學(xué)組成為Al2O3，在70℃以上的水溶液中，氧化膜吸收結(jié)晶水，體積膨脹，這些特性使鋁材在電子、新能源、建筑、裝飾各領(lǐng)域有著不可替代的重要作用。氧化標(biāo)牌的染色和封閉就是使染料的顆粒進(jìn)入到氧化鋁的小直徑的微孔中，進(jìn)而封閉住里面的特性。

如圖所示，硫酸氧化鋁膜微孔直徑約12nm（納米），染料顆粒直徑在1.5～3nm，鋁材陽極氧化膜的微孔可認(rèn)為是底部封閉的毛細(xì)管，這些微孔垂直于基體金屬表面。陽極氧化后，微孔被陽極氧化液和陽極氧化過程中生成的鋁鹽充滿。這些殘留在微孔中的硫酸與鋁鹽不易排除。外表的水洗很難除去微孔中的物質(zhì)。

溶液中物質(zhì)的移動(dòng)只有兩種方法，即對(duì)流和擴(kuò)散形式，在對(duì)流過程中，全部溶液包括溶解的物質(zhì)一起移動(dòng)，攪拌、沖洗就是對(duì)流的一種形式。擴(kuò)散過程的驅(qū)動(dòng)力是化學(xué)濃度的梯度。

在微孔中充滿殘留溶液的情況下，微孔內(nèi)的溶液是完全不能夠攪拌的，因此擴(kuò)散過程是去除微孔中硫酸和鋁鹽的唯一方法。水洗的作用只限于確保微孔以外的硫酸與鋁鹽的濃度盡可能的低，以增大微孔中驅(qū)動(dòng)擴(kuò)散的濃度梯度。

氧化結(jié)束后，水洗一般采用多級(jí)水洗至少要5分鐘。氧化后的水洗方式、質(zhì)量直接關(guān)系到下道工序的染色、上色質(zhì)量及氧化標(biāo)牌的內(nèi)在質(zhì)量。

五、染色

氧化鋁的染色是有機(jī)染料分子擴(kuò)散而滲透進(jìn)入到氧化鋁細(xì)小直徑的微孔中的過程，需要嚴(yán)格按照染料廠家規(guī)定的操作條件去做。一般廠家規(guī)定：染料的水溶液的PH值在5.0～6.0，溫度50～60℃（有時(shí)常溫也可），一般淺顏色含量在2～5g/l，顏色深淺由氧化膜的厚薄決定。

溶解染料需用純水，并先用少量加熱充分溶解染料，待充分溶解后，再用水調(diào)到需要的濃度。有機(jī)染料有水溶型或溶劑型，與別的著色方法不同。

用有機(jī)染料染色可獲得顏色艷、品種繁多的色調(diào)。有機(jī)染料的缺點(diǎn)是耐光性差，不適合在室外使用，因此特殊要求的標(biāo)牌產(chǎn)品在染料的選擇上，特別要注意。染色時(shí)間一般為30分鐘，溫度高時(shí)可縮短時(shí)間。只要上道氧化工序不出問題，鋁氧化膜上色是很容易的。

六、封閉

氧化膜的封閉是一道不可缺少不能大意的工序。氧化膜在70℃以上水溶液中，吸收結(jié)晶水后體積膨脹2～3倍，從而導(dǎo)致微孔封閉。

反應(yīng)式如下：

γ-Al2O3→γ-Al2O3?2H2O或γ-Al2O3?3H2O

鎳鹽封孔處理能顯著提高陽極氧化膜的性能，沈陽標(biāo)牌廠采用濃度5～7g/L，溫度80～90℃，時(shí)間＞5min，PH=5.3～5.8的工藝條件，具體時(shí)間由2min/μm計(jì)算。

封閉方式很多，有常溫、低溫等工藝，在實(shí)踐中獲得的數(shù)據(jù)是最好在高溫下進(jìn)行，這樣可以最大限度減少浮色和標(biāo)牌抗腐蝕性能。生產(chǎn)陽極氧化標(biāo)牌占據(jù)多、快、好、省、低碳、環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)勢(shì)。

在應(yīng)用照相腐蝕法生產(chǎn)標(biāo)牌的企業(yè)中，沈陽市標(biāo)牌制造廠是唯一一家通過環(huán)保達(dá)標(biāo)的工廠，只要對(duì)所確定的陽極氧化工藝做到心中有數(shù)，操作時(shí)，嚴(yán)格按工藝要求做，就能生產(chǎn)出合格的、達(dá)標(biāo)的氧化標(biāo)牌。

舉例說明：下面要生產(chǎn)一種鋁質(zhì)二次氧化標(biāo)牌，圖紙要求：圖形、文字黃色凸起，底凹下要求黑色的產(chǎn)品。

制造工藝如下：

一個(gè)黃字及圖形且凸起，底面是黑色凹下的產(chǎn)品，按照選擇的工藝分析這道工序要點(diǎn)，黃色部分氧化膜定為7μm即可，黑底要凹下17μm。

先將表面處理過的鋁板下槽氧化20min，洗凈，染黃色，晾干后按圖紙要求制作網(wǎng)版，用透明耐酸堿油墨印上圖形，圖形部分上墨，烘干后放入堿蝕液中，堿蝕40℃時(shí)，2分鐘左右，堿蝕深度在40μm以上。這時(shí)上透明油墨部分呈黃色，沒被堿蝕，沒上墨部分黃色被堿蝕掉，并被堿蝕刻凹下40μm，如黑底要砂面工藝，此時(shí)還要下到砂面劑中1min。

洗凈后二次進(jìn)氧化槽氧化50min，膜厚達(dá)到17μm后染黑色，封閉，即成成品。