鋁合金的陽極氧化及電解著色工藝深圳鑫申新材料鋁合金新型材料

1、鋁合金的陽極氧化及電解著色工藝深圳鑫申新材料鋁合金新型材料鋁合金陽極氧化電解著色是鋁合金表面處理中重要的方法之一。將鋁合金置于適當(dāng)?shù)碾娊庖褐凶鳛殛枠O通電處理，表面會(huì)生成厚度為幾個(gè)至幾十個(gè)微米的陽極氧化膜，氧化膜的表面是多孔蜂窩狀的。上世紀(jì)60年代，人們開始利用氧化膜的多孔性，將陽極氧化和電沉積技術(shù)相結(jié)合發(fā)明了電解著色技術(shù)。鋁合金陽極氧化電解著色技術(shù)最初起源于歐洲，由于該工藝操作簡(jiǎn)便、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、造船、機(jī)械、建筑和日常生活等多方面。我國的電解著色技術(shù)開始于上世紀(jì)80年代，一直以來都是鎳鹽、錫鹽電解著色工藝，由于顏色單一、著色液的穩(wěn)定性和分散性差等問題一直沒有得到很好

2、解決，而且隨著時(shí)代的進(jìn)步，工業(yè)上對(duì)電解著色的工藝條件和應(yīng)用要求越來越高，為了滿足市場(chǎng)的需要，鑫申金屬研究人員一直在做著不懈的努力。 1.1鋁的性能和用途 鋁(Afuminum)是自然界中分布最廣，儲(chǔ)量最多的元素之一，廣泛分布于巖 石、泥土和動(dòng)、植物體內(nèi)，其含量約占地殼總質(zhì)量的8.2%，僅次于氧和硅，比鐵(約占2.1%)、鎂(約占2.1%)和鈦(約占0.6%)的總和還要多川。1854年，法國化學(xué)家德維爾把鋁礬土、木炭、食鹽混合，通人氯氣后加熱得到NaCI，AIC13復(fù)鹽，再將此復(fù)鹽與過量的鈉熔融，得到了金屬鋁。這時(shí)的鋁生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高，應(yīng)用非常有限，直到1886年，美國的豪爾和法國的海朗特，

3、分別獨(dú)立地電解熔融的鋁礬土和冰晶石的混合物制得了金屬鋁，奠定了今天大規(guī)模生產(chǎn)鋁的基礎(chǔ)。一個(gè)世紀(jì)的歷史進(jìn)程中，鋁的產(chǎn)量急劇上升，到了20世紀(jì)60年代，鋁在全世界有色金屬產(chǎn)量上超過了銅而位居首位，它的用途涉及到許多領(lǐng)域，大至國防、航天、電力、通訊等，小到鍋碗瓢盆等生活用品。它的化合物用途非常廣泛，不同的含鋁化合物在醫(yī)藥、有機(jī)合成、石油精煉等方面發(fā)揮著重要的作用。純的鋁很軟，強(qiáng)度不大，有著良好的延展性，可拉成細(xì)絲和軋成箔片，大量 用于制造電線、電纜、無線電工業(yè)以及包裝業(yè)。它的導(dǎo)電能力約為銅的三分之二， 但由于其密度僅為銅的三分之一。鋁的導(dǎo)熱能力比鐵大三倍，工業(yè)上常用鋁制造 各種熱交換器、散熱材料等，

4、家庭使用的許多炊具也由鋁制成。與鐵相比，它還 不易銹蝕，延長了使用壽命。鋁粉具有銀白色的光澤，常和其它物質(zhì)混合用作涂 料，刷在鐵制品的表面，保護(hù)鐵制品免遭腐蝕，而且美觀。在純鋁中添加Cu、 Mg、Mn、Zn、Si、Ni、Ti、Cr等元素，能生產(chǎn)出滿足各種性能和用途要求的鋁合金。與其它金屬相比，鋁具有一系列比其他有色金屬、鋼鐵、塑料和木材等更加優(yōu)良的特性，鑫申金屬研發(fā)生產(chǎn)出來的鋁密度小、僅為2.7g/L，約為銅或鋼的1/3;良好的耐蝕性和耐候性;良好的塑性和加工性能;良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性;良好的耐溫性能，對(duì)光熱電波的反射率高、表面性能好;無磁性;基本無毒;有吸音性;耐酸性好;防核輻射性能好;彈性

5、系數(shù)小;良好的力學(xué)性能;良好的鑄造性能和焊接性能;良好的撞擊性等。因此，鋁材在航天、航海、航空、汽車、交通運(yùn)輸、橋梁、建筑、電氣電子、能源動(dòng)力、冶金化工、農(nóng)業(yè)排灌、機(jī)械制造、包裝防腐、電器家具、日用文體等各個(gè)領(lǐng)域都獲得了十分廣泛的應(yīng)用。 鑫申金屬鋁是電負(fù)性很強(qiáng)的金屬，對(duì)氧原子有著很強(qiáng)的親和力，鋁在空氣中會(huì)生成一 層薄而致密的氧化膜，這層氧化膜具有一定的保護(hù)作用，同時(shí)這層自然氧化膜對(duì) 其它任何形式的表面處理和裝飾性加工都具有重大意義。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，鋁及其合金材料應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，其應(yīng)用的環(huán)境變得越來越苛刻，在防腐蝕、耐磨損、耐強(qiáng)度以及耐高溫高壓等方面提出了愈來愈高 的要求

6、。傳統(tǒng)的鋁表面處理技術(shù)己經(jīng)很大程度上不能滿足這些要求。因此，鑫申金屬研究開發(fā)鋁表面保護(hù)和表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)擴(kuò)寬鋁的應(yīng)用領(lǐng)域，提高其應(yīng)用價(jià)值具有重大意義。目前鋁及其合金表面處理方法主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理、陽極氧化、電鍍、 有機(jī)涂層、激光加工技術(shù)和離子注入技術(shù)等。陽極氧化是最常見的鋁表面處理方法之一，得到了廣泛的應(yīng)用，成為目前鋁表面處理領(lǐng)域中最為重要的處理方法，它是利用電化學(xué)方法在鋁表面形成一層轉(zhuǎn)化膜。這種轉(zhuǎn)化膜具有一定的硬度、耐磨性和耐蝕性，而且還具有一定裝飾性，能夠滿足許多應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)要求。 1.6陽極氧化膜的電解著色 如前面所述，鋁陽極氧化膜具有多孔性和可吸附性，是最理想的著色載體。通過著色不僅

7、可以提高產(chǎn)品的裝飾性和耐蝕性，同時(shí)給鋁制品表面以各種功能特征，增加商業(yè)價(jià)值。目前鑫申金屬已經(jīng)開發(fā)出很多氧化膜著色技術(shù)，大體上可以分為化學(xué)著色和電解著色。電解著色法按其發(fā)色特點(diǎn)，可分為一步電解著色法、二步電解著色法和其他著色新技術(shù)等。一步電解著色法 一步電解著色法也稱為溶液著色法。是工件在特定的電解液中電解處理，直接得到有顏色的氧化膜，即氧化和著色同步完成的方法。按照著色原因不同，又可分為合金發(fā)色法和特殊電解液氧化著色。該法著色范圍窄，操作工藝嚴(yán)格而復(fù)雜，膜層顏色受材料成分、加工方法等因素影響很大，因此在應(yīng)用上受到一定限制。目前，一步電解著色法應(yīng)用最廣的有:草酸欽鉀法、鉻酸法、混酸法、卡爾考拉法

8、、雷諾法等等。二步電解著色技術(shù)二步電解著色法是以硫酸一次電解的透明陽極氧化膜為基礎(chǔ)，在含有金屬鹽 的溶液中用直流或交流進(jìn)行電解處理而使氧化膜著色的方法。該方法按電源波形分類，可分為直流法和交流法;按著色溶液分類，可分為單一金屬鹽、多種金屬鹽和二種著色液著色法。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、投資較小、成本低廉，存在不足是色差較大、校色和補(bǔ)色操作難度大，產(chǎn)品顏色單一。 其它著色新技術(shù)由于電解著色氧化膜的色彩比較單調(diào)，局很于香檳色一古銅色一黑色。20世紀(jì)80年代開始，歐洲和日本相繼研究利用干涉光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)多色彩陽極氧化膜的目的。多色彩電解著色技術(shù)，又稱為三次多色電解著色技術(shù)，其著色原理完全不同于普通電解著

9、色，其不是依靠散射光顯色，而是依靠干涉光顯色，得到所謂太陽光的彩虹色系。多色彩電解著色技術(shù)是當(dāng)前最先進(jìn)的電解著色技。 它是在二次電解著色工藝基礎(chǔ)上開發(fā)出的一種利用光干涉原理，達(dá)到改變被處理材料表面顏色的技術(shù)，即在電解著色處理前，增加一次磷酸陽極氧化擴(kuò)孔工序,以改變氧化膜的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸，達(dá)到改變光的反射路徑，從而使鋁表面顏色由青銅色系列調(diào)變?yōu)辄S色、金黃色、橙色、紅褐色等多種鮮艷色調(diào)的電解著色法。前言 鋁和鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、易加工成型等優(yōu)良性能，作為型材已廣泛應(yīng)用于許多產(chǎn)業(yè)部門及人們的日常生活中，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近年來逐步向汽車工業(yè)、宇航、海洋應(yīng)用等方面拓展。改善和提高其表面

10、特性，集裝飾性和藝術(shù)性于一體，已成為鋁合金型材產(chǎn)品發(fā)展的又一個(gè)趨勢(shì)。我們運(yùn)用鋁及鋁合金電解著色新技術(shù)、工藝，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，結(jié)果著色均勻、色膜平滑、牢固，取得了較好效果。 2工藝流程及筋方 為了獲得表面裝飾效果，在鋁合金型材電解著色之前，必須進(jìn)行表面預(yù)處理。預(yù)處理的好壞，直接影響電解著色的質(zhì)量。其一般工藝流程如下: 除油水洗一酸蝕水洗堿蝕水洗活化處理陽極-氧化水洗電解著色水洗封閉干燥。 2.1化學(xué)除油化學(xué)除油是借助化學(xué)反應(yīng)和物理化學(xué)作用，除去鋁合金型材表面的油污，并將其表面均勻地腐蝕，以消除鋁型材表面的不均勻狀況溶液的組成及操作條件為: NaOH 6一109/L Na3PO4.12H2O 30-

11、45g/L Na2CO3 1012g/L 洗滌劑0.51.0g/L 溫度2535 C 時(shí)間 3040s 經(jīng)以上酸蝕之后的鋁合金制件，必須立即用流動(dòng)的溫水或冷水清洗掉其表面的殘液。2.3堿蝕堿蝕的目的是利用堿性清洗劑將鋁合金制件表面的各種污物除去。其溶液的組成與工藝條件為: NaOH1020g/L NS一101(堿蝕劑)20一30g/L 十二烷基硫酸鈉12g/L 溫度50一65C 時(shí)間l一3min 處理后立即用清水清洗。2.4活化處理 經(jīng)前處理的制件表面必須再活化處理，以防其表面生成自然氧化膜，影響電解著色。其活化溶液配方及工藝條件為: KMnO4 l一4g/L H2SO4(95%一98%) 1

12、0一1g/L 溫度 室溫 時(shí)間 2030s2.5陽極氛化 為了獲得一定的孔隙率和膜厚的均勻的氧化膜以便于著色，根據(jù)生產(chǎn)條件，本工藝選用快速陽極氧化法，其溶液穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、成本低。為了拓寬陽極氧化的電流密度、工作溫度和降低溶液中雜質(zhì)的影響，添加了緩蝕劑。其配方和工藝條件為: H2SO4 (95%一98%) 160一180g/L 緩蝕劑10一12g/L 磺基水楊酸20g/L 電流密度1.02.0A/dm2 電壓(交流)18一25V 溫度1535 時(shí)間1520min 陽極氧化后的鋁合金制件，需經(jīng)二次水洗，要嚴(yán)格控制掌握水洗槽的pH值，pH值一般控制在45，嚴(yán)禁超標(biāo)。 2.6電解著色(古銅色)在參考

13、先進(jìn)配方的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際選定硫酸鎳、硼酸為主的電解著色溶液，其配方和工藝條件下：NiSO4.7H2O 20一25g/L H3BO3 25一30g/L NS一201 8g/L 電壓1420V 溫度 室溫 時(shí)間 210min 該電解著色溶液添加了適量的NS一201電解著色穩(wěn)定劑，使著色速度高于未添加穩(wěn)定劑溶液的著色速度。這樣可相應(yīng)地降低Ni2+濃度，從而降低溶液的成本，同時(shí)也提高了溶液的分散能力，改善了著色的均勻性。電解著色時(shí)，隨著溫度的升高，離子擴(kuò)散速度加快，色調(diào)加深，為使著色均勻，采用槽液循環(huán)攪拌法，在液面下進(jìn)行攪拌。鋁合金制件在陽極氧化后，需經(jīng)二次水洗，第一個(gè)水洗槽pH值要在2以上，第

14、二個(gè)水洗槽pH值要在4以上。料架進(jìn)入著色槽內(nèi)需靜潰1min，使型材凹角內(nèi)氣泡逸出，電壓升壓要緩慢，控制在205左右，開始電流密度控制在1.0一1.2A/dm2，著色時(shí)間應(yīng)從最大電壓達(dá)到之后開始計(jì)算。著色結(jié)束后，所得顏色與標(biāo)準(zhǔn)色板進(jìn)行比較，若顏色深，重新入槽靜漬退色;若顏色淺要重新入槽進(jìn)行補(bǔ)色。2.7封閉 較為常用的封閉工藝采用高溫和常溫兩種方法。我們將著色后的工作放在30C的NS一301常溫快速封閉劑水溶液中進(jìn)行封閉。這種封閉劑封孔速度快，且抗50;“一污染能力強(qiáng)，一般其含量在12g/L時(shí)仍能正常生產(chǎn)。工藝流程中每一步驟，都要求用流動(dòng)水清洗到鋁合金型材表面不掛有水珠為佳。 2.8干燥 該工序?qū)?/p>

15、著色封閉后的鋁合金型材放在遠(yuǎn)紅外烘干室內(nèi)進(jìn)行烘干干燥處理，其溫度控制在50一60C，且不能將未烘干的鋁合金型材堆放在一起。 3、結(jié)果與討論 3.1電解溶液中雜質(zhì)的影響鋁合金型材著色好壞程度，絕大部分取決于氧化膜的形成質(zhì)量。因此，在硫酸陽極氧化溶液中，雜質(zhì)對(duì)氧化膜的影響不容忽視。其雜質(zhì)主要是銅、鐵、鋁等金屬離子及有機(jī)雜質(zhì)污染物，要及時(shí)清除掉，保持溶液的正常使用范圍。 (l)銅離子會(huì)因置換作用沉積到鋁合金表面上，造成氧化膜疏松，降低防蝕能力，其含量不能超過0.029/L。 (2)鐵離子超過0.29/L，將出現(xiàn)暗色條紋成斑點(diǎn)。(3)鋁離子含量大于259/L時(shí)，電解液導(dǎo)電性能下降，鋁合金型材表面出現(xiàn)白

16、點(diǎn)或塊狀白斑等，造成著色困難。 (4)有機(jī)雜質(zhì)會(huì)阻礙氧化膜的生成，膜吸附油污后，使著色不均勻，出現(xiàn)花斑。 3.2影響電解著色的主要因素 (l)若前處理除油過程進(jìn)行得不徹底，會(huì)造成膜層出現(xiàn)明顯的白花斑，給著色帶來困難。 (2)電解溶液中Ni鹽濃度過低時(shí)，上色速度慢，低于1g/L時(shí)，完全不上色。 (3)著色液溫度對(duì)著色有很大影響，溫度低于15C時(shí)，上色速度慢，過高則著色膜發(fā)霧。 (4)著色電壓較低時(shí)，著色速度慢，顏色變化慢，容易產(chǎn)生色調(diào)不均，當(dāng)電壓較高時(shí)，著色速度快，著色膜易剝落。 (5)無論在陽極氧化成膜或電解著色中，都要添加以表面活性劑為主的添加劑和穩(wěn)定劑，其目的在于穩(wěn)定成膜速度與膜厚，抑制氧

17、化膜的溶解和改善著色的均勻性。 4結(jié)論 (l)本工藝適用于批量鋁合金型材表面的裝飾著色，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、容易操作等特點(diǎn)。 (2)本工藝在幾個(gè)主要工序溶液中添加了以表面活性劑為主的添加劑、穩(wěn)定劑，可有效地提高其工序質(zhì)量。鋁陽極氧化膜電解著色的研究研究確定了鋁陽極氧化膜于鎳一錫混合鹽和鎳一錳混合鹽中電解著色的最佳配方，分析了各種因素對(duì)著色膜的影響，確定了鎳一錳體系的著色工藝。實(shí)驗(yàn)表明，鎳一錳體系所得著色膜性能優(yōu)良，該工藝一旦推廣應(yīng)用于生產(chǎn)，將帶來較大的經(jīng)濟(jì)效益2、實(shí)驗(yàn)方法 鑫申金屬研究人員用電解方法在鋁表面上形成古銅色外觀，既具有典雅、莊重的色感，又使鋁的耐蝕性、耐磨性，耐候性大大地改善。因

18、而被廣泛地用于建筑、裝飾行業(yè)。目前常用的鋁陽極氧化膜電解著色液有鎳鹽、鉆鹽、錫鹽、鎳一鉆鹽、鎳一錫鹽等。鎳錫鹽混合液著色比起單純的鎳鹽或錫鹽著色，具有色差小，抗雜質(zhì)干擾能力強(qiáng)，著色速度快，易上深色等特點(diǎn)。2.1實(shí)驗(yàn)材料 L:工業(yè)純鋁板規(guī)格60mm火30mm火3mm 2.2實(shí)驗(yàn)儀器及裝置 YS26E型直流穩(wěn)壓器、791型磁力攪拌器、 TDGC一2/0.5自藕變壓器、DT一830數(shù)字萬用表顯微硬度計(jì)。2.2實(shí)驗(yàn)裝置原理圖 鋁板陽極氧化裝置及交流電解著色裝置如圖1和圖2所示。2.3工藝流程及工藝條件鋁合金及工業(yè)純鋁表面陽極氧化及交流電解著色工藝流程如下: 試樣機(jī)械研磨除油冷水洗堿腐蝕熱水洗冷水洗化學(xué)

19、拋光冷水洗出光冷水洗蒸餾水洗陽極氧化冷水洗蒸餾水洗電解著色冷水洗封閉吹干。主要工藝流程的溶液組成及工藝條件：電解著色在鋁表面陽極氧化后進(jìn)行，本試驗(yàn)進(jìn)行鎳一錫體系和鎳一錳體系交流電解著色，其中鎳一錫體系和鎳一錳體系交流電解著色溶液組成及工藝規(guī)程分別如表2、3所示。2.4電解著色溶液配方優(yōu)選(正交試驗(yàn)) 電解著色溶液配方用正交試驗(yàn)L9（34）分別進(jìn)行。其試驗(yàn)因素與平表如表4(1)、(2)。2.5性能試驗(yàn) 耐蝕性測(cè)定采用點(diǎn)滴試驗(yàn)法.點(diǎn)滴用溶液成份如下: 鹽酸(1.19化學(xué)純)25mL 重鉻酸鉀(化學(xué)純)3g 蒸餾水、75mL 滴定液在著色膜上滲透到基體金屬表面與其相互作用，溶液顏色由橙色變?yōu)?綠色，所需時(shí)間為耐蝕時(shí)間，時(shí)間愈長.耐蝕性愈好。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1鎳一錫體系電解著色正交試驗(yàn)結(jié)果(略) 鎳一錫體系最