鋁型材單鎳鹽電泳著色暗紋問題研究

蔣 偉，馬月輝，趙玉軍

(中國鋁業(yè)山東分公司鋁加工廠，山東淄博 255051)

鋁型材單鎳鹽電泳著色暗紋問題研究

蔣 偉，馬月輝，趙玉軍

(中國鋁業(yè)山東分公司鋁加工廠，山東淄博 255051)

采用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，研究了預(yù)處理、陽極氧化以及電泳著色工序中工藝參數(shù)對(duì)單鎳鹽電泳著色暗紋的影響，總結(jié)了各工序的最佳指標(biāo)。結(jié)果表明:堿蝕槽中ρ(A13+)必須嚴(yán)格控制在60g/L內(nèi)，θ在45～55℃范圍，堿蝕后的t控水最好控制在3～5s;氧化槽中ρ(A13+)控制在15g/L內(nèi)，槽液θ在(19±1)℃范圍;著色槽中雜質(zhì)離子要嚴(yán)格控制，槽液循環(huán)壓力控制在0.1～0.4MPa。

單鎳鹽;電泳著色;暗紋;工藝指標(biāo)

引 言

單鎳鹽著色法是在高電壓下，利用特殊的正負(fù)波形，使鎳離子在氧化膜微孔內(nèi)的障壁層表面上進(jìn)行電化學(xué)還原反應(yīng)，沉積在氧化膜孔的底部，從而在鋁材表面反射出顏色的一種著色方法。

單鎳鹽著色法具有沉積速度慢、著色穩(wěn)定，尤其在做淺色調(diào)上具有極大的優(yōu)勢(shì)［1］，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，而且可以進(jìn)行鎳回收，節(jié)約成本。但單鎳鹽著色法對(duì)著色前處理以及著色槽液維護(hù)都比較嚴(yán)格，生產(chǎn)中容易造成型材暗紋花料現(xiàn)象。

本文采用生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，研究預(yù)處理、陽極氧化以及電泳著色工序工藝指標(biāo)對(duì)單鎳鹽電泳著色暗紋問題的影響，力求找出工藝的最佳指標(biāo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材 料

本研究試驗(yàn)材料為某廠生產(chǎn)的7001、7009、2001等3種型材，3種鋁型材均是由6063鋁合金擠壓成型的，合金成分(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:0.20%～0.60%Si、0.35%Fe、0.10%Cu、0.10%Mn、0.45%～0.90%Mg、0.10%Cr、0.10%Zn、0.10%Ti、0.15其它元素、余量為 Al。

1.2 試驗(yàn)方法

通過嚴(yán)格執(zhí)行精細(xì)化操作規(guī)程進(jìn)行按照上架→預(yù)處理→陽極氧化→電解著色→電泳→烘干的工藝流程進(jìn)行試驗(yàn)。每天記錄各槽液工藝參數(shù)、合格品以及帶有暗紋缺陷的型材件數(shù)。通過近6個(gè)月的試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)，分析工藝參數(shù)變化對(duì)型材表面暗紋率的影響，分析公式為:

式中:ρa(bǔ)w表示暗紋率，Law為帶有暗紋缺陷的型材件數(shù)，Lh為合格型材件數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿蝕過程產(chǎn)生的暗紋花料

1)Al3+的影響

生產(chǎn)過程中，堿蝕液中溶解的鋁離子會(huì)隨著生產(chǎn)量的加大而越來越多，堿蝕液黏度增大，產(chǎn)生大量的絮狀物沉淀，影響表面質(zhì)量。型材表面暗紋率與堿蝕槽中鋁離子質(zhì)量濃度關(guān)系見圖1。

圖1 表面暗紋率與鋁離子質(zhì)量濃度關(guān)系

從圖1可以看出，隨著堿蝕槽中鋁離子質(zhì)量濃度的增加，3種型材的表面暗紋率逐漸增大，而且當(dāng)ρ(A13+)超過60g/L時(shí)，暗紋率驟然增大。因此，堿蝕槽中ρ(A13+)必須嚴(yán)格控制在60g/L內(nèi)。向槽液中添加一定量的堿蝕劑，能有效防止槽液中Al3+的化合物產(chǎn)生沉淀和結(jié)塊，延長槽液使用壽命，添加劑與30%～35%的工業(yè)液堿按V(添加劑)∶V(堿液)=1.2～1.6 添加。

2)溫度的影響

型材表面暗紋率與堿蝕槽液溫度的關(guān)系曲線，見圖2。從圖2中可以看出，隨著溫度的增長，型材表面暗紋率逐漸增大。這可能是因?yàn)殡S著堿蝕槽溫度升高，堿蝕后，型材從高溫堿性環(huán)境向低溫空氣環(huán)境過度的過程中，表面溫度驟降，容易使鋁離子的化合物迅速凝結(jié)在型材表面，難以清洗掉，因而產(chǎn)生暗紋。但是堿蝕槽溫度太低，反應(yīng)速度會(huì)很慢，氫氣對(duì)表面的沖刷作用不夠，不易脫去型材表面殘留的污物。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，堿蝕槽θ一般控制在45～55℃較好。要保證堿蝕槽θ控制在45～55℃，堿蝕槽中除裝有加熱管外，還應(yīng)裝有水冷卻管，使溫度能夠得到有效控制。

圖2 表面暗紋率與堿蝕溫度的關(guān)系

另外，堿蝕后的第一道水洗θ應(yīng)保持在(35±2)℃，使型材表面溫度由堿蝕到水洗的過程中，溫度變化有一梯度，防止鋁型材表面因溫度突然驟降而造成暗紋現(xiàn)象。

3)控水時(shí)間的影響

圖3是型材表面暗紋率與堿蝕后控水時(shí)間的關(guān)系。

圖3 表面暗紋率與堿蝕后控水時(shí)間的關(guān)系

從圖3可以看出，隨著空中控水時(shí)間的增加暗紋現(xiàn)象尤為明顯，可能是型材從堿蝕槽轉(zhuǎn)移到水洗槽過程中，在空中停留時(shí)間過長，造成局部表面堿液濃縮會(huì)繼續(xù)加深腐蝕或者干燥結(jié)殼，在表面留下液體流動(dòng)狀的舌形斑塊或輪廓線。而且大斷面的型材更容易產(chǎn)生該現(xiàn)象，如2001等。因此，必須減少型材在堿蝕后的控水時(shí)間。但是，時(shí)間太短，型材表面會(huì)帶有大量的堿液，造成水洗不凈。因此，堿蝕后的t控水最好控制在 3～5s。

為保證型材在堿蝕后的三道水洗中清洗干凈、減少暗紋現(xiàn)象，堿蝕后的三道水洗時(shí)間及空中控水時(shí)間也要進(jìn)行嚴(yán)格控制，t漂洗控制在 3～5s，t控水在 3～5s。堿蝕水洗后，型材進(jìn)入中和槽進(jìn)行出光處理。此時(shí)，型材表面若有大量的堿帶入酸槽中，與中和槽液中高濃度的Al3+形成稠密的鋁氫氧化物粘狀物粘附在表面，就會(huì)留下零星的花斑，最終導(dǎo)致暗紋現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.2 氧化過程產(chǎn)生的暗紋花料

1)Al3+的影響

型材表面暗紋率與氧化槽中鋁離子質(zhì)量濃度關(guān)系，見圖4。

圖4 表面暗紋率與鋁離子質(zhì)量濃度關(guān)系

從圖4可以看出，隨著氧化槽中鋁離子質(zhì)量濃度的增加，3種型材的表面暗紋率逐漸增大。這可能是因?yàn)檠趸垡褐蠥l3+含量太高，會(huì)使部分Al3+附著在氧化膜孔內(nèi)，在水洗的過程中，水解生成Al(OH)3，從而造成花料現(xiàn)象。因此，必須嚴(yán)格控制氧化槽中Al3+的含量。當(dāng)ρ(Al3+)超出15g/L后，必須開啟酸回收除鋁離子裝置或者直接排放槽液，重新加酸調(diào)配。

2)溫度的影響

型材表面暗紋率與氧化槽液溫度的關(guān)系曲線見圖5。從圖5中可以看出，隨著溫度的增高，型材表面暗紋率逐漸增大。氧化過程中，氧化膜的生成是放熱反應(yīng)，溶液的溫度會(huì)不斷地升高，容易造成氧化電壓偏高、電擊傷及色斑等缺點(diǎn)，氧化過程中膜的溶解會(huì)加快，氧化膜耐磨性、耐蝕性降低;溫度過低，氧化膜層透明度降低，著色性能差，脆性增強(qiáng)，易開裂。因此，需要嚴(yán)格控制氧化槽液溫度。利用冷卻循環(huán)系統(tǒng)，及時(shí)散熱，使槽液θ保持在(19±1)℃范圍。

圖5 表面暗紋率與氧化溫度的關(guān)系

3)水洗的影響

鋁型材經(jīng)氧化處理后，膜孔活性非常高，對(duì)其它物質(zhì)有很強(qiáng)的吸附性。如果水洗時(shí)間太長，則會(huì)使其吸附性降低，從而導(dǎo)致鋁型材不容易著色;水洗時(shí)間短，會(huì)導(dǎo)致氧化槽液水洗不充分，在相同的著色條件下顏色深，容易產(chǎn)生色斑與著色不均現(xiàn)象。表1是氧化后水洗時(shí)間對(duì)型材表面暗紋率的影響。從表1可以看出氧化后水洗最佳時(shí)間范圍為:第一道水洗漂洗 t為 25～45s，t控水為 30s;第二道水洗漂洗 t為45～60s，t控水為20s;第三道水洗漂洗 t為25～45s，t控水為10s。

表1 氧化后水洗時(shí)間對(duì)型材表面暗紋率的影響

為保證型材表面清洗干凈，不污染單鎳鹽著色槽，三次水洗的水質(zhì)要求為純水，第一道水洗的pH為1.0 ±0.1;第二道水洗的 pH 為1.8 ±0.2;第三道水洗的 pH 為3.0 ±0.5。

2.3 著色過程產(chǎn)生的暗紋花料

1)雜質(zhì)離子的影響

單鎳鹽著色對(duì)槽液中的雜質(zhì)離子比較敏感，尤其是 K+、Na+、NH4+、Al3+、Cl－等。這些離子含量一旦超標(biāo)，將會(huì)造成著色型材表面產(chǎn)生暗紋，這在生產(chǎn)中已經(jīng)得到證明。因此，對(duì)這些雜質(zhì)離子要嚴(yán)格控制。一般 ρ(K+)、ρ(Na+)、ρ(NH4+)總和控制在20mg/L 內(nèi)，ρ(Al3+)不超過 200mg/L，ρ(Cl－)不超過100mg/L。因此，保證槽液的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

單鎳鹽著色槽必須配備再生精制裝置，K+、Na+、NH4+含量超出指標(biāo)后，必須開啟精制，利用陽離子交換器降低離子濃度;Al3+、Cl－超標(biāo)時(shí)，需開啟陰離子交換器降低其濃度。當(dāng)精制不起作用時(shí)，要及時(shí)對(duì)樹脂進(jìn)行再生。根據(jù)不同的工藝控制要求，單鎳鹽著色槽中雜質(zhì)離子的增長量有所不同，陰陽樹脂再生頻次會(huì)有所不同。

2)槽液循環(huán)量的影響

槽液循環(huán)量是由壓力表進(jìn)行監(jiān)控的，即循環(huán)壓力(P)。著色槽液循環(huán)壓力大小對(duì)著色影響見表2。

表2 著色槽管路循環(huán)壓力對(duì)著色色斑的影響

從表2可以看出，當(dāng)循環(huán)壓力＜0.40MPa時(shí)，型材不會(huì)出現(xiàn)著色色斑現(xiàn)象。但是考慮到循環(huán)量太小，難以控制槽液溫度。因此，應(yīng)將循環(huán)壓力控制在0.10～0.40MPa 范圍，既可以避免產(chǎn)生暗紋，又能夠?qū)崿F(xiàn)槽液升降溫控制［2］。

3 結(jié)論

單鎳鹽電泳著色法是目前國際上的一種先進(jìn)著色方法，優(yōu)缺點(diǎn)都很突出。只要嚴(yán)格按照精細(xì)化操作，遵循合理的工藝與對(duì)策組織生產(chǎn)，就會(huì)減少鋁型材表面暗紋現(xiàn)象的出現(xiàn)。提高單鎳鹽電泳著色產(chǎn)品的成品率，尤其要做好以下幾個(gè)方面:

1)堿蝕槽中ρ(Al3+)嚴(yán)格控制在60g/L以內(nèi)，θ控制在 45～55℃范圍，堿蝕后的 t控水控制在 3～5s。

2)氧化槽中ρ(Al3+)控制在15g/L以內(nèi)，槽液θ保持在18～20℃范圍。

3)氧化后3道水洗時(shí)間嚴(yán)格控制，第一道水洗漂洗 t為25～45s，控水 t為 30s，pH 為 1.0 ±0.1;第二道水洗漂洗 t為 45～60s，控水 t為 20s，pH 為1.8 ±0.2;第三道水洗漂洗 t為 25～45s，控水 t為10s，pH 為 3.0 ±0.5。

4)著色槽中雜質(zhì)離子要嚴(yán)格控制，ρ(K+)、ρ(Na+)、ρ(NH4+)總和控制在20mg/L以內(nèi)，ρ(Al3+)不超過200mg/L，ρ(Cl－)不超過 100mg/L;槽液管路循環(huán)P控制在0.1～0.4Mpa范圍。

［1］朱祖芳.鋁型材表面處理發(fā)展之過去及未來十年［J］.電鍍與涂飾，2002，2:44-45.

［2］歐高峰.鋁型材單鎳鹽著色技術(shù)色斑研究［J］.鋁加工，2003，5:22-24.

A Study on Dim Streaks Phenomenon in Single Nickel Salt Electrophoretic Coloring of Shaped Aluminum Materials

JIANG Wei，MA Yue-hui，ZHAO Yu-jun
(Shandong Branch，China Aluminum Co.Ltd，Zibo 255051，China)

Effects of technological parameters of steps of pretreatment，anodic oxidation，and electrophoretic coloring on dim streaks defect in single nickel salt electrophoretic coloring of shaped aluminum materials were studied with production site test method.Through analysis of the experimental results the optima technological parameters were established as follows.For the alkaline etching aluminum ion concentration in the bath should be controlled in 60g/L，bath temperature at 45～50℃ and drip time after alkaline etching for 3～5s;for the anodic oxidation Al3+ion concentration in the bath should be controlled in 15g/L，bath temperature at(19±1)℃;for the electrophoretic coloring impurity ions in the bath should be strictly controlled at very low level and bath circulation pressure at 0.1～0.4MPa.

single nickel salt;electrophoretic coloring;dim streaks;technological parameter

TG174.451

A

1001-3849(2010)10-0034-04

2010-05-14

2010-06-30