建筑鋁型材寬溫快速陽極氧化節(jié)能工藝及應(yīng)用①

劉 軍， 黃雪萍， 舒 輝

（廣東省科學院產(chǎn)業(yè)技術(shù)育成中心， 廣東 廣州510650）

鋁型材具有良好的加工性、耐蝕性和耐磨性，在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 通過表面處理可以提高建筑鋁型材表面硬度、耐蝕性能和耐磨性能等，表面處理技術(shù)已成為擴大鋁型材應(yīng)用范圍的關(guān)鍵［1-3］。 建筑鋁型材陽極氧化傳統(tǒng)工藝中，槽液溫度必須控制在20±2 ℃，超過該溫度，氧化膜會被破壞起粉，導(dǎo)致鋁合金型材報廢。 鋁合金陽極氧化是一個發(fā)熱過程，如果不采取降溫措施，產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致氧化槽液溫度很快上升，因此，為了使槽液溫度控制在20±2 ℃，傳統(tǒng)工藝必須開啟冷凍機使冷卻系統(tǒng)水溫保持在5～10 ℃，能耗較大。

建筑鋁型材寬溫陽極氧化工藝中，槽液溫度上限可以提高到35 ℃左右，因此可以大大節(jié)省冷卻系統(tǒng)能耗，該節(jié)能工藝的研究及應(yīng)用已成為目前研究熱點之一，然而目前建筑鋁型材行業(yè)通過改變陽極氧化工藝參數(shù)提高陽極氧化工藝溫度上限的報道較少［4-5］。 本文選取6063-T5 建筑鋁合金型材為研究對象，在傳統(tǒng)硫酸陽極氧化工藝基礎(chǔ)上加入添加劑GYK-1，研究添加劑GYK-1 含量對陽極氧化工藝溫度上限、陽極氧化電壓及成膜速度的影響，試圖探索出一種能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的建筑鋁型材寬溫快速陽極氧化節(jié)能工藝，為鋁型材廠提供一種節(jié)能途徑。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗試片為常用的6063-T5 建筑鋁合金型材陽極氧化前坯料。

1.2 工藝流程

陽極氧化工藝采用建筑鋁合金型材陽極氧化常用工藝，流程如下：脫脂→水洗→堿蝕→水洗→水洗→出光→水洗→陽極氧化→水洗→水洗→電解著色→水洗→水洗→封孔→水洗→水洗→風干。

具體工藝參數(shù)如下：

1） 脫脂。 在質(zhì)量濃度150 g/L 的H2SO4溶液中常溫處理3～5 min。

2） 堿蝕。 堿蝕溶液為45 g/L 的NaOH+20 mL/L的堿蝕添加劑GYE-2。 堿蝕處理溫度40 ～60 ℃，時間5～8 min。

3） 出光。 在質(zhì)量濃度100 g/L 的HNO3溶液中常溫處理1～2 min。

4） 陽極氧化。 溶液為180 g/L 的H2SO4+20 g/L的Al3++GYK-1（根據(jù)實驗要求調(diào)整）。 電流密度150 A/m2，氧化時間20 min，陰極材料為鋸齒狀純鋁板，溫度根據(jù)實驗要求調(diào)整。

5） 電解著色。 著色溶液為10 g/L 的SnSO4+20 g/L 的H2SO4+20 g/L 的電解著色添加劑GYZ-2。 常溫，交流電壓18 V，著色時間3 min。

6） 封孔。 常溫封孔劑GYS-3 用量5 g/L，pH＝6.0～6.5，常溫，時間12 min。

1.3 陽極氧化溫度控制

根據(jù)實驗要求的氧化槽液溫度，通過陽極氧化槽底部的不銹鋼管分別通入冰水、自來水或熱水調(diào)節(jié)槽液溫度。 氧化過程中通壓縮空氣攪拌。

1.4 實驗過程判定標準以及適宜工藝參數(shù)的確定

所有試片在經(jīng)陽極氧化、電解著色、封孔、風干后，觀察膜層是否起粉（或者氧化膜還沒有起粉，但已經(jīng)變得不透明或灰色時也判斷為起粉），并與未添加GYK-1 的基準試片比較著色效果、外觀質(zhì)量，最終優(yōu)化出GYK-1 用量、允許溫度上限、氧化時間范圍等適宜工藝參數(shù)。

1.5 氧化膜膜厚測定

采用QuaNix 4500 渦流測厚儀測定氧化膜厚度。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 GYK-1 用量對陽極氧化溫度上限的影響

陽極氧化寬溫添加劑GYK-1 主要由有機和無機兩大組分復(fù)配而成，其中有機組分主要是絡(luò)合劑、表面活性劑，無機組分主要是導(dǎo)電鹽等，三者構(gòu)成比例約為2 ∶1 ∶1。 GYK-1 可在氧化膜表面形成吸附層，具有隔離溶液的效果，減緩硫酸對氧化膜的溶解，使氧化膜成長速度提高。 GYK-1 的絡(luò)合作用使溶液中的Al3+形成絡(luò)合物，當氧化膜表面H+濃度較高時，能離解出Al3+，提高膜表層溶液的Al3+濃度，抑制氧化膜的溶解速度，提高氧化膜被硫酸溶解破壞（起粉）的溫度上限，即提高陽極氧化工藝溫度上限。

固定H2SO4濃度180 g/L、Al3+濃度20 g/L、氧化時間20 min、電流密度150 A/m2，GYK-1 用量對陽極氧化溫度上限的影響見圖1。

圖1 GYK-1 用量對陽極氧化溫度上限的影響

由圖1 可知，當溶液中不含GYK-1 時，陽極氧化允許溫度上限為23 ℃。 隨著GYK-1 用量增加，首先溫度上限提高較慢；當GYK-1 用量達到25 g/L 后，溫度上限提高較快；當GYK-1 用量達到50 g/L 時，溫度上限提高到37 ℃；再繼續(xù)增大GYK-1 用量，溫度上限變化不大。 綜合考慮，GYK-1 適宜用量為50 g/L。

2.2 GYK-1 用量對陽極氧化電壓的影響

相同條件下，GYK-1 用量對陽極氧化電壓的影響見圖2。

圖2 GYK-1 用量對陽極氧化電壓的影響

由圖2 可知，隨著GYK-1 用量增加，陽極氧化電壓逐漸降低，即電耗減少。 GYK-1 用量較低時，電壓下降較慢；當GYK-1 用量超過10 g/L 后，電壓下降較快；當GYK-1 用量達到60 g/L 時，電壓降至14.9 V；再繼續(xù)增加添加劑，電壓變化不大。

2.3 GYK-1 用量對陽極氧化成膜速度的影響

相同條件下，GYK-1 用量對陽極氧化成膜速度的影響見圖3。

圖3 GYK-1 用量對陽極氧化成膜速度的影響

從圖3 可以看出，隨著GYK-1 用量增加，平均膜厚逐漸增加。 因GYK-1 中的表面活性劑在鋁合金陽極氧化過程中吸附在陽極表面，形成了一層薄薄的吸附膜，隨著添加劑濃度增加，表面活性劑在氧化膜表面的吸附愈來愈多，甚至覆蓋在整個陽極表面上，從而阻礙了電解液對陽極表面氧化膜的溶解，提高了氧化膜的成膜速度。 但表面活性劑在氧化膜表面的吸附增加到一定程度后，并不能無限制阻礙電解液對陽極表面氧化膜的溶解，當GYK-1 用量增加到50 g/L 時，平均膜厚13.5 μm，比不加GYK-1 時的膜厚增加約20%；之后再繼續(xù)增加添加劑，平均膜厚增加不明顯。 因此，GYK-1 用量取50 g/L。

實驗發(fā)現(xiàn)，氧化膜平均膜厚達到10 μm 所需的陽極氧化時間可縮短20%（16 min），在降低能耗的同時，提高了生產(chǎn)效率。

2.4 Al3+濃度對氧化溫度上限的影響

在建筑鋁型材陽極氧化工藝中，Al3+濃度對氧化溫度上限的影響十分明顯。 一方面，陽極氧化溶液中若沒有Al3+，難以獲得正常的膜層厚度，膜層的耐蝕性和耐磨性也差。 另一方面，由于硫酸對氧化鋁的溶解作用，Al3+在陽極氧化溶液中不斷積累。 過多的Al3+使氧化槽液導(dǎo)電性能下降，引起電壓升高，電能消耗增大，同時氧化膜透明度下降，出現(xiàn)條紋、斑痕等不均勻現(xiàn)象，甚至可能出現(xiàn)膜層燒傷和封閉后變黑等現(xiàn)象。

固定H2SO4濃度180 g/L、GYK-1 用量50 g/L、氧化時間20 min、電流密度150 A/m2，Al3+濃度對陽極氧化溫度上限的影響見圖4。

圖4 Al3+濃度對陽極氧化溫度上限的影響

建筑鋁型材傳統(tǒng)陽極氧化工藝中一般控制Al3+濃度15～20 g/L。 由圖4 可知，隨著Al3+濃度增加，氧化溫度上限首先緩慢下降；當Al3+濃度達到25 g/L 后，氧化溫度上限下降較快。 為避免頻繁更換氧化槽液，控制經(jīng)濟成本，建議Al3+濃度控制在20～25 g/L。

2.5 優(yōu)化工藝參數(shù)

綜合以上實驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化出建筑鋁型材寬溫陽極氧化適宜工藝條件為：H2SO4濃度160 ～180 g/L，Al3+濃度20～25 g/L，GYK-1 用量50 g/L，溫度35±2 ℃，電流密度150 A/m2，氧化時間16 min。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

實驗室中陽極氧化可以采取恒電流控制，精準地將氧化電流密度控制在150 A/m2，但在絕大多數(shù)生產(chǎn)廠家，現(xiàn)場操作人員不可能精確計算每一掛氧化料面積，實際都是采取恒壓控制，因此使得實際生產(chǎn)中電流密度基本上在120～180 A/m2范圍內(nèi)變化。

在實驗室優(yōu)化出的節(jié)能工藝基礎(chǔ)上，充分考慮生產(chǎn)實際中電流密度變化大、鋁型材形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜等各種因素，需適當降低陽極氧化溫度上限、增加氧化時間和電壓。

本研究優(yōu)化出的節(jié)能工藝在山東某鋁型材廠實施工業(yè)應(yīng)用，每噸鋁材的GYK-1 消耗量為5.0 kg。 陽極氧化具體工藝參數(shù)為：H2SO4濃度160～180 g/L，GYK-1用量50 g/L，Al3+濃度20 ～25 g/L，溫度30 ～33 ℃，電壓15 V，時間17 min。 按此工藝生產(chǎn)，對該廠產(chǎn)品抽檢，按GB/T 5237.2—2008［6］中AA10（16 h）標準規(guī)定進行CASS 實驗，測試陽極氧化膜耐蝕性，檢測結(jié)果均為9～10 級，均為合格；按標準規(guī)定進行落砂實驗，測試陽極氧化膜耐磨性，檢驗均為合格。

寬溫陽極氧化工藝溫度上限為33 ℃，一般控制在30～33 ℃，只要冷卻系統(tǒng)的冷卻水溫度保持在18～25 ℃就可以實現(xiàn)槽液溫度控制。 當?shù)貧鉁卦?8 ℃以下時，不需要開啟冷凍機，通過冷卻塔就可以使冷卻水池溫度保持在18～25 ℃（只有當冷卻水溫度超過25 ℃時才開啟冷凍機），因此可以大大節(jié)省冷凍系統(tǒng)能耗。

該廠氧化生產(chǎn)線全年節(jié)省電耗3 264 512 度，按相關(guān)資料數(shù)據(jù)（每消耗1 000 度的電能，就相當于排放了0.785 噸二氧化碳）計算，采用寬溫陽極氧化節(jié)能工藝后，該廠每年可減排二氧化碳2 562 噸左右，節(jié)能減排效果明顯。

該廠一條年產(chǎn)10 000 t 鋁型材的陽極氧化生產(chǎn)線使用以上節(jié)能工藝，一年節(jié)省費用（節(jié)省的電費扣除化學藥品配槽及消耗費用）約90.7 萬元（（626-547）×12 752-100 000 ＝907 408），具有良好的經(jīng)濟效益。 使用該工藝前后能耗及綜合成本對比見表1。

表1 山東某鋁型材廠使用該工藝前后能耗及綜合成本對比

4 結(jié) 論

1） 優(yōu)化實驗得到適宜建筑鋁型材寬溫快速陽極氧化節(jié)能工藝條件為：H2SO4濃度180 g/L，GYK-1 用量50 g/L， Al3+濃度20～25 g/L，溫度30～33 ℃，氧化電壓15 V，氧化時間17 min。

2） 采用以上節(jié)能工藝條件進行建筑鋁型材寬溫陽極氧化，氧化槽工藝溫度上限由22 ℃提高到33 ℃，大大降低了冷凍系統(tǒng)能耗；氧化槽電壓降低10%、陽極氧化時間節(jié)省20%，進一步降低了陽極氧化能耗，提高了生產(chǎn)效率；同時，氧化膜耐蝕性、耐磨性均能達到相應(yīng)國家標準。

3） 該節(jié)能工藝是一種可行的建筑鋁型材寬溫快速陽極氧化節(jié)能工藝，其應(yīng)用具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。