鋁合金陽極氧化技術(shù)研究

李健安，羅銘強

（廣東興發(fā)鋁業(yè)有限公司，廣東 佛山 528000）

1 陽極氧化表面處理方式

在開展陽極氧化的生產(chǎn)作業(yè)時，用電量較大。整流機電流排送值達到8000～11000A，電壓值控制在15～19V，此外，因為設(shè)備本身存在熱耗，應(yīng)持續(xù)以循環(huán)水開展降溫工序，1t水一般需耗電約1000kW·h，同時利用輔助設(shè)備一并降溫，可有效節(jié)約用電量。圖1為陽極氧化原理。

圖1 陽極氧化原理

2 化學(xué)預(yù)處理

在陽極氧化前開展的工序步驟一般被認作預(yù)處理作業(yè)，現(xiàn)化學(xué)預(yù)處理工藝的主要工序一般是脫脂（除油）、堿蝕（或酸蝕）和中和，旨在清除殘存在型材表層的污漬和氧化面等，以提高表層的活性程度，為后期開展氧化開展奠定基礎(chǔ)，得到品質(zhì)上乘的氧化膜。

2.1 脫脂

將槽液中的有效要素控制在合適范疇，繼而將槽內(nèi)反應(yīng)起泡數(shù)值和型材吊起后水膜狀態(tài)結(jié)合起來，觀測脫脂品質(zhì)，如進行酸性脫脂，在以硫酸、磷酸或硝酸為基的酸性脫脂溶液中，油脂會發(fā)生水解，生成甘油和相應(yīng)的高級脂肪酸，在溶液中添加少量的潤濕劑和乳化劑，則有利于油脂的軟化、游離、溶解和乳化，提高脫脂效果。當酸性脫脂溶液中硫酸含量不足時，可利用陽極氧化槽內(nèi)的“廢硫酸”來補充，這樣既可確保脫脂槽液所需的硫酸濃度，同時可有效降低陽極氧化槽內(nèi)的鋁離子濃度，又能降低脫脂的生產(chǎn)成本和廢水處理負擔(dān)[1]。

2.2 堿蝕

堿蝕工序需掌控好調(diào)整氫氧化鈉和鋁離子的攝入量、液溫和反應(yīng)間隔。鑒于堿蝕反應(yīng)和調(diào)整氫氧化鈉的溫度和速度呈線性關(guān)系，時長過久或溫度太高極易導(dǎo)致腐蝕。工藝的相關(guān)數(shù)據(jù)幅度太大也較易影響表層光澤度，作業(yè)時需恪守調(diào)整氫氧化鈉的預(yù)設(shè)值，控制在預(yù)設(shè)值±5g/L內(nèi)浮動，溫度則在預(yù)設(shè)值±2℃范疇內(nèi)浮動，時長也需嚴格控制在預(yù)設(shè)要求開展。

2.3 中和（出光）

中和工序關(guān)鍵在于掌控好存有的游離酸量。需觀測槽液內(nèi)鋁離子的量，定時開展排放，如加入硝酸、硝酸混合酸等中和作業(yè)，需增加后續(xù)的水洗工序，如添置一道水洗或引入噴淋設(shè)備，以免氧化槽被硝酸根污染，當液體里硝酸根的存有值高過10~6（ppm）級，封孔效果會大打折扣。開展硫酸中和作業(yè)后應(yīng)校驗的水洗水質(zhì)，應(yīng)定時排出所用水，預(yù)防因Mg2Si粒子的偏聚而導(dǎo)致型材大規(guī)模出現(xiàn)腐蝕斑點。

3 硫酸陽極氧化

整個工序的重難點在于硫酸陽極氧化，只有在前道作業(yè)時做出厚度、面積適中的氧化膜，才可開展后續(xù)作業(yè)時得到上乘的型材表層漆膜，其工藝關(guān)鍵需掌控好硫酸濃度、液溫、電流量、氧化間隔和槽液循環(huán)量。圖2為硫酸陽極氧化流程。

圖2 硫酸陽極氧化流程

3.1 硫酸濃度

硫酸是陽極氧化內(nèi)部所需的電解質(zhì)，它的濃度不僅關(guān)乎槽液的導(dǎo)電功效，也能消融氧化膜，繼而影響膜的孔徑大小、厚度、耐受性等。所以作業(yè)時需嚴格控制濃度的預(yù)設(shè)值，實際所用濃度在預(yù)設(shè)值±5g/L內(nèi)浮動。需增添純度高、雜離子量小的濃硫酸，預(yù)防Fe、Mn等雜離子持續(xù)輸入氧化槽，繼而損壞氧化膜。

3.2 槽液溫度

槽液溫度為氧化工序提供重要數(shù)據(jù)，也影響了氧化膜的生成。為提高氧化膜的品質(zhì)，需將氧化預(yù)設(shè)溫度控制在±（1～2）℃以內(nèi)，實際生產(chǎn)時溫度大致控制在19～21℃，溫度過高需開啟冷卻設(shè)備。

3.3 電流密度

在型材生成氧化膜作業(yè)中，電流密度是控制成膜厚度關(guān)鍵要素，密度越高，確定時長內(nèi)生成膜的厚度更大，但電流密度過密（＞150A/m2），則極易因由過熱而導(dǎo)致氧化膜損傷。所以獲得適合的氧化膜厚度，應(yīng)按照實際生產(chǎn)狀況，根據(jù)不同的型材要求，將氧化電流的輸出值控制在一個合適的范疇，一般輸出值在100～190A/m2，既能保證生產(chǎn)速度的同時也能提高氧化膜的品質(zhì)。

3.4 氧化時間

生產(chǎn)速度和氧化膜的品質(zhì)受氧化時間影響，時間耗費越多，膜的厚度越大，但因為槽液具有溶解性質(zhì)，導(dǎo)致膜較易軟化、孔徑變大，在后期著色作業(yè)時極易導(dǎo)致色深情況。

3.5 槽液攪拌

攪拌工序的重難點是如何平衡分設(shè)氧化槽液的溫度勻，并及時消除作業(yè)時表層所生成的熱量。一般工序?qū)⒉垡盒沟窖趸辈蹆?nèi)，再經(jīng)由循環(huán)泵提取到主槽，通過在流泄的過程中循環(huán)減溫，這一過程被稱為循環(huán)攪拌。在換熱器外側(cè)有冷卻水流過時，也能對槽液減溫，間距通常為2～3次/h，循環(huán)值過低或溫度不穩(wěn)，極易導(dǎo)致槽的上下和雙端溫差間距大，導(dǎo)致雙端和上下膜厚也相差很大；數(shù)值太高則槽液流速加快，在槽內(nèi)的型材會由于擺動而生成短路現(xiàn)象。為免突發(fā)短路現(xiàn)象，在大型立式生產(chǎn)工序中會提前預(yù)置放電打夾具，直接杜絕短路現(xiàn)象的發(fā)生。

3.6 氧化后水洗

氧化后開展水洗是為清除氧化膜孔處的電解液殘留，標準規(guī)定是開展三道水洗工序。實際作業(yè)時，應(yīng)控制水洗槽的水溫、時長和PH的預(yù)設(shè)值。最后那道水洗應(yīng)引入工業(yè)純水，旨在保障殘留物徹底清除。PH由化驗室每班1次解析，參照解析報告即刻調(diào)節(jié)水流值，確保3個水洗槽的PH呈梯度?？刂扑磿r長，每次水洗時長掌控在1～3min，浸洗時長過多會減少氧化膜的活性，導(dǎo)致膜表層出現(xiàn)紋裂和著色斑駁等。水洗溫度需與氧化槽溫度一樣，夏季溫度過高會降低氧化膜功用，導(dǎo)致后期著色不勻，尤其是在單鎳鹽生產(chǎn)工藝中更為嚴重。將氧化和水洗技藝控制在預(yù)設(shè)范疇內(nèi)，可以獲得厚度勻稱、狀態(tài)良好的型材表層氧化膜，后期著色質(zhì)量也很好[2]。

4 封孔

4.1 熱封孔工藝

（1）沸水封孔：在接近沸點的純水中（溫度95℃以上，去離子水），通過氧化鋁的水合反應(yīng)將非晶態(tài)的氧化鋁轉(zhuǎn)化成水合氧化鋁，由于水合氧化鋁比原來的體積偏大30%，體積膨脹使的氧化膜的微孔填充封閉。

（2）高溫蒸汽封孔：原理和沸水封孔一樣，優(yōu)點是速度快、水質(zhì)的依賴性小、少出現(xiàn)白灰、褪色風(fēng)險小。設(shè)備需要密閉來保證溫濕度，一般溫度115～120℃，壓力在0.7MPa～1MPa為佳。

4.2 冷封孔工藝

冷封孔是我國最常用最基本的封孔技術(shù)，操作溫度30～35℃的室溫，時間和熱封孔比縮短一半，是依靠微孔中的沉積的填充物來進行封孔的，最成熟的工藝為氟化鎳為主成分的冷封工藝。冷封孔完成后要進行熱水陳化后（60～80℃去離子熱水，10～15min）處理來改性，避免產(chǎn)品出現(xiàn)高溫微裂。

4.3 中溫封孔工藝

針對熱封和冷封工藝的缺陷開發(fā)出無機鹽中溫封孔技術(shù)，主要包括鉻酸鹽封孔、硅酸鹽封孔和乙酸鹽封孔。

（1）鉻酸鹽封孔：可提供良好的防腐蝕作用，尤其用于壓鑄鋁合金和高銅鋁合金（PH5.7～6.6，大約10min）。

（2）硅酸鹽封孔：由于硅酸鹽封孔后常常發(fā)生白灰或者變色，工藝應(yīng)用范圍較小。

（3）乙酸鎳封孔：封孔品質(zhì)比較好，承受溫度或形變的能力較強，適用于厚陽極氧化膜[3]。

5 電泳涂裝

電泳涂裝常用的工藝為陽極電泳。陽極電泳成膜所用涂料物質(zhì)是內(nèi)含羧基的陰離子型聚合物，一般涂料物質(zhì)指的是丙烯酸樹脂，它的原理是電泳、電解、電沉積和電滲透四個工序相互作用后在鋁型材表層生成一道漆膜，通過交聯(lián)穩(wěn)固再成膜。電泳涂刷技藝步驟如下：熱純水洗→純水洗→電泳→首次水洗（RO1）→再次水洗（RO2）→干燥→固化（烘干）→冷卻→排出。每次作業(yè)都會直接影響到型材的品質(zhì)，所以應(yīng)嚴肅控制每層作業(yè)開展，實際操作需恪守預(yù)設(shè)要求，確保作業(yè)的持續(xù)性開展。圖3為電泳涂裝工序。

圖3 電泳涂裝工序

5.1 熱純水洗

電泳前需開展熱水洗作業(yè)，旨在深度清理殘存在型材表層的雜質(zhì)以及膜孔內(nèi)部的雜離子和硫酸根，且發(fā)揮“半封孔”功效。而且當水溫＞80℃時，熱水和氧化膜才會生成水合反應(yīng)，發(fā)揮“半封孔”的效用。實際作業(yè)重難點關(guān)在于掌控電流量、溫度、時長和PH。電導(dǎo)率對水質(zhì)有影響，進而決定水洗品質(zhì)，所以配槽時需引入純水，在生產(chǎn)期需定時將所有水更新，把電導(dǎo)率掌控在100μs/cm以下。溫度則掌控在55～65℃，溫度太低無法發(fā)揮效果，溫度太高則會封鎖氧化膜，降低經(jīng)濟效益，常規(guī)情況下時長為3～5min。PH太小會導(dǎo)致水品質(zhì)較酸，極易導(dǎo)致烘干鋁材之后變黃。

5.2 高純水洗

開展高純水洗水作業(yè)時溫度應(yīng)適宜，型材的溫度保持在室溫溫度為最佳，能有效防止高溫型材加快電泳槽液的老化，延長電泳槽的使用期限。嚴格控制預(yù)設(shè)電導(dǎo)率，配槽時引入純水，平時生產(chǎn)電導(dǎo)率需掌控至60μs/cm以下，太高極易造成型材上部表層出現(xiàn)大量皺皮。

5.3 電泳（ED）

電泳工序難點在于控制電泳槽的固成份、PH、電導(dǎo)率、溫度和溶劑含量。需嚴格將固成份實際作業(yè)所用量控制在預(yù)設(shè)分量±0.5范疇內(nèi)，隨時準備補涂電泳漆。PH和電流量與電泳動力和上膜速度相關(guān)，這2個數(shù)據(jù)變動可反射出液內(nèi)雜離子的數(shù)值，隨著生產(chǎn)推進，PH和電導(dǎo)率也隨之提高，需定時減小PH和電流量，將其保持在上下變動值范疇內(nèi)，實際作業(yè)溫度也應(yīng)維持在預(yù)設(shè)值±2℃之內(nèi)。根據(jù)溶劑含量適當增加消泡劑和流平劑，以保持電泳槽平穩(wěn)運行。圖4為電泳槽。

圖4 電泳槽

5.4 電泳后循環(huán)水洗

電泳工藝中的電泳主槽和后期兩道水洗作業(yè)共組成一套閉環(huán)，再利用電泳漆回收設(shè)備，達到不斷循環(huán)的效果，提升電泳涂料的使用效率。為避免吊起型材時漏掉部分電泳涂料，應(yīng)增強控制后期水洗時固成份含量，在作業(yè)時泄出液固定的情況下進行回收，再通過液值（固體份、電導(dǎo)率、PH）來決定循環(huán)水洗槽的準備量。

5.5 固化

在電泳涂漆的固化作業(yè)環(huán)節(jié)的效果會對漆的漆膜硬度、耐侯性（耐沸水、堿、溶劑和耐洗等）等漆膜效能產(chǎn)生影響。重要因素在于溫度和時長，前者對漆的影響顯著大于后者，因此操作時需將溫度變化控制在5℃左右，并確保時長的同一性，確保固化作業(yè)時處于常溫狀態(tài)，才可得到漆膜效能平穩(wěn)的規(guī)模性產(chǎn)品。按時檢測固化爐的溫度，根據(jù)溫度變化開展調(diào)節(jié)工序，確保爐子正常運作。

6 結(jié)語

鋁合金陽極氧化技術(shù)可以滿足多種多樣的需求，使鋁合金表面獲得耐蝕性好、耐磨性好、裝飾性好、附著性好及功能性好等諸多優(yōu)秀的品質(zhì)，是目前研究和開發(fā)較為深入與全面的表面處理技術(shù)，本文對極氧化性能的技術(shù)工藝進行了探究及分析總結(jié)，掌握提高陽極氧化性能的方法。