無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔劑的優(yōu)勢(shì)探討及影響因素

陳 穎,佟 丹,屈樂柱

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

鋁型材經(jīng)過陽(yáng)極氧化后生成氧化膜雖有些防護(hù)作用和裝飾效果,但是氧化膜表面呈現(xiàn)多孔層結(jié)構(gòu)[1],吸附能力和化學(xué)活性都強(qiáng),尤其處在腐蝕性環(huán)境中,腐蝕介質(zhì)容易滲透膜孔引起基體腐蝕[2]。因此,經(jīng)陽(yáng)極氧化后的皮膜,不管著色與否,均需經(jīng)過封閉處理,以往的封孔工藝都離不開鎳鹽封孔劑,效果也不錯(cuò)[3],但是對(duì)環(huán)保方面確實(shí)是帶來了一定困擾,如含鎳鹽的污水排放問題,操作人員的身體健康問題?？蒲腥藛T經(jīng)過多次試驗(yàn),研究出一種環(huán)保型金屬元素代替鎳元素的封孔劑,無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔劑[4],來提高氧化膜的抗腐蝕性,絕緣耐磨等性質(zhì),并減弱它對(duì)雜質(zhì)或油污的吸附[5]。無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔劑是一種溫度介于常溫和高溫之間,應(yīng)用于鋁合金陽(yáng)極氧化膜封閉的復(fù)合物[6]。

無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔劑由以鋯為主要金屬離子的乙酸鹽、水化促進(jìn)劑、表面活性劑、防滑劑等復(fù)配而成,其中絡(luò)合物有促進(jìn)封孔,抑制鋁合金表面形成粉霜的作用,水化促進(jìn)劑對(duì)水化反應(yīng)有明顯的促進(jìn)作用,表面活性劑使封孔劑能夠迅速達(dá)到型材表面,也能抑制粉霜的形成,這幾種成分協(xié)同作用,缺一不可。

1 試驗(yàn)對(duì)比

試驗(yàn)采用鋁合金6063同一批次型號(hào)的鋁型材,經(jīng)過陽(yáng)極氧化后,膜厚滿足≥10 mm,采用相同的封孔時(shí)間10 min,試樣三組,每組3個(gè),規(guī)格為100 mm×50 mm,失重測(cè)試結(jié)果≤30 mg/dm2合格品。

表1為無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔劑與常溫含氟鎳、高溫?zé)o氟含鎳封孔劑的試驗(yàn)參數(shù)與封孔質(zhì)量,表中可知,三種封孔劑的藥品消耗、試驗(yàn)溫度、pH值均有所不同,但封孔質(zhì)量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 三種封孔劑試驗(yàn)參數(shù)與封孔失重

經(jīng)過試驗(yàn)可以看出,不論哪種封孔劑,封孔后失重測(cè)試結(jié)果都能滿足客戶要求≤30 mg/dm2。但是低溫封孔和高溫封孔中的F-、Ni2+化合物能夠引起環(huán)境污染,尤其是鎳鹽中的Ni2+具有積存作用,容易引發(fā)人體鼻、咽癌,肺癌。常溫封孔的溫度較低,氧化膜易出現(xiàn)脫落、裂痕等現(xiàn)象。高溫封孔屬于水合封孔,機(jī)理是90 ℃以上的中性水中,氧化鋁與水合成波米體型的一水合氧化鋁,這就是所指的水合封孔的反應(yīng)過程:Al2O3+H2O→2AlO(OH)→Al2O3·H2O。由于一水合氧化鋁的密度3 014 kg/m3比氧化鋁3 420 kg/m3的小,故反應(yīng)后體積增大33%左右,堵塞了氧化膜的空隙,造成孔外膜表面部分水合物呈粉狀堆積,形成粉霜。

在封孔失重測(cè)試三種溫度封孔型材結(jié)果均合格的情況下,綜合因素總結(jié)起來,無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔是較理想的一種封孔方法[1-3],槽液易于控制,穩(wěn)定性好,以下探討無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔工藝的影響因素。

2 無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔工藝過程及影響因素的研究

(1)試驗(yàn)條件。采用型材型號(hào)ZWTYN-266,噴砂太陽(yáng)能邊框型材。試驗(yàn)所用的鋁型材型號(hào),機(jī)械加工工藝及合金成分相同。氧化條件為一般標(biāo)準(zhǔn)工藝,墨水測(cè)試采用一種市售純藍(lán)墨水,失重采用硝酸預(yù)浸的磷鉻酸,磷酸鉬酸鈉腐蝕失重試驗(yàn)。

(2)主要工序步驟。型材樣品→脫脂→水洗→水洗→堿蝕→水洗→水洗→水洗→中和→水洗→水洗→陽(yáng)極氧化→水洗→水洗→水洗→封孔→水洗→水洗→烘干。

(3)脫脂。將鋁型材工件浸入含有硫酸10%～20%,清洗劑30%～50%的溶液中,浸泡時(shí)間2～3 min,溫度為室溫。

(4)堿蝕。水洗后工件放入含有氫氧化鈉45～70 g/L,堿蝕劑與氫氧化鈉比例為2∶9溶液中,反應(yīng)時(shí)間2～6 min,溫度50～55 ℃。

(5)中和。堿洗后鋁型材表面會(huì)有掛灰現(xiàn)象,將鋁型材浸入濃度為10%～15%硝酸和20%～40%硫酸的混合溶液中,室溫下浸泡2～5 min。

(6)陽(yáng)極氧化。使用濃度為145 ～175 g/L硫酸電解液,電壓為18 V,溫度為室溫,氧化時(shí)間為15～30 min,進(jìn)行陽(yáng)極氧化,在鋁合金表面形成陽(yáng)極氧化膜。

(7)封孔。將成膜之后的鋁型材放入不含重金屬可溶性鹽的中溫封孔劑15%～30%,0.8%～8%的緩沖劑等有效成分的封孔槽中,在溫度為55～70 ℃,時(shí)間為10～15 min,用氨水或是冰醋酸調(diào)節(jié)pH值為6.0～7.0進(jìn)行封孔反應(yīng)。

(8)烘干。經(jīng)封孔水洗之后吹干,干燥時(shí)間10～20 min。

2.1 pH值的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中,北方夏季,冬季氣溫變化較大,pH值反應(yīng)出與溫度有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)pH值較高時(shí)會(huì)加快封孔反應(yīng)速率并使其反應(yīng)產(chǎn)物沉積于膜孔之中,所遵循的規(guī)律是pH值相對(duì)越低時(shí),溫度就需相應(yīng)提高。本試驗(yàn)證明,在低溫高pH值條件下以及高溫低pH值條件下,均可獲得優(yōu)良的封孔效果,同時(shí)證明,在高溫或是高pH情況下,也可以獲得完全無(wú)灰的表面。

pH值也是封孔工藝中的重點(diǎn)因素。本試驗(yàn)條件是氧化膜厚度為16～20 μm,封孔時(shí)間為10min,封孔溫度為60 ℃,通過氨水或是冰醋酸調(diào)整pH值,失重結(jié)果與pH值的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 pH值對(duì)封孔質(zhì)量的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明,pH值對(duì)墨水測(cè)試的效果影響不大,型材表面無(wú)灰,無(wú)粘膠,槽液沒有出現(xiàn)混濁,對(duì)失重影響較為明顯,pH值接近6.5時(shí)失重結(jié)果小于30 mg/dm2;當(dāng)pH值大于7.5時(shí),槽液出現(xiàn)混濁現(xiàn)象,不利于封孔,pH值在6.5～7.5時(shí)進(jìn)行封孔,封孔效果較好。

2.2 封孔溫度的影響

一般情況下,溫度越高,金屬離子擴(kuò)散速度加快,溶液中水解速度越快,所以對(duì)一定膜厚的氧化膜,封孔溫度越高,則所需封孔時(shí)間越短。所以在試驗(yàn)過程中選擇50 ℃開始試驗(yàn)溫度,試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)條件,氧化膜厚度16～20 μm,封孔時(shí)間10 min,pH值6.5～7.0(通過氨水和冰醋酸調(diào)節(jié))。

表3 溫度對(duì)封孔質(zhì)量的影響

結(jié)果表明,型材表面無(wú)灰,墨水試驗(yàn)無(wú)痕跡,且沒有粘膠,主要看型材陽(yáng)極氧化膜的失重試驗(yàn)隨著溫度的升高而數(shù)值減小,當(dāng)溫度高于55℃時(shí)就已經(jīng)接近標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí),失重結(jié)果趨于穩(wěn)定,變化較小,生產(chǎn)工藝溫度在55～65 ℃為合適。

2.3 時(shí)間對(duì)封孔失重的影響

封孔一般要求速度為1～3 μm/min,這樣能提高產(chǎn)能,但是要以滿足封孔失重檢測(cè)結(jié)果合格來確定時(shí)間。所以膜厚16～20 μm,pH值6.50,溫度65 ℃,不同封孔時(shí)間變化試驗(yàn)見表4。

表4 時(shí)間對(duì)封孔質(zhì)量的影響

結(jié)果表明,觀察鋁型材表面墨水測(cè)試無(wú)痕跡,表面無(wú)灰,而且不粘膠;對(duì)失重而言,封孔時(shí)間過短會(huì)影響失重結(jié)果不合格,封孔時(shí)間在10 min以上,失重測(cè)試結(jié)果合格,封孔時(shí)間越長(zhǎng),失重結(jié)果數(shù)值越小,但是太長(zhǎng)時(shí)間,會(huì)影響生產(chǎn)產(chǎn)能。

3 結(jié)論

經(jīng)過多次試驗(yàn),綜合環(huán)保要求,無(wú)氟無(wú)鎳中溫封孔劑是當(dāng)下陽(yáng)極氧化膜較為合適的一種封孔方式,封孔質(zhì)量達(dá)到了國(guó)標(biāo)GB/T5237.2-2017中規(guī)定的磷鉻酸浸硝酸失重結(jié)果小于30 mg/dm2的要求,表面無(wú)生成粉霜現(xiàn)象。封孔的工藝條件較為合適的選擇為,溫度55～65 ℃,pH6.5～7.5,封孔時(shí)間10～13 min,封孔效果最佳。