建筑鋁型材寬溫快速陽極氧化節能工藝及應用①

劉 軍， 黃雪萍， 舒 輝

（廣東省科學院產業技術育成中心， 廣東 廣州510650）

鋁型材具有良好的加工性、耐蝕性和耐磨性，在建筑行業得到廣泛應用。 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，表面處理技術已成為擴大鋁型材應用范圍的關鍵［1-3］。 建筑鋁型材陽極氧化傳統工藝中，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，導致鋁合金型材報廢。 鋁合金陽極氧化是一個發熱過程，如果不采取降溫措施，產生的熱量會導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 ℃，傳統工藝必須開啟冷凍機使冷卻系統水溫保持在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，因此可以大大節省冷卻系統能耗，該節能工藝的研究及應用已成為目前研究熱點之一，然而目前建筑鋁型材行業通過改變陽極氧化工藝參數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，在傳統硫酸陽極氧化工藝基礎上加入添加劑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工業生產的建筑鋁型材寬溫快速陽極氧化節能工藝，為鋁型材廠提供一種節能途徑。

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。

具體工藝參數如下：

1） 脫脂。 在質量濃度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（根據實驗要求調整）。 電流密度150 A/m2，氧化時間20 min，陰極材料為鋸齒狀純鋁板，溫度根據實驗要求調整。

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、自來水或熱水調節槽液溫度。 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的確定

所有試片在經陽極氧化、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、外觀質量，最終優化出GYK-1 用量、允許溫度上限、氧化時間范圍等適宜工藝參數。

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配而成，其中有機組分主要是絡合劑、表面活性劑，無機組分主要是導電鹽等，三者構成比例約為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 的絡合作用使溶液中的Al3+形成絡合物，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。

實驗發現，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，出現條紋、斑痕等不均勻現象，甚至可能出現膜層燒傷和封閉后變黑等現象。

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，控制經濟成本，建議Al3+濃度控制在20～25 g/L。

2.5 優化工藝參數

綜合以上實驗數據，優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 生產應用

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，但在絕大多數生產廠家，現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，因此使得實際生產中電流密度基本上在120～180 A/m2范圍內變化。

在實驗室優化出的節能工藝基礎上，充分考慮生產實際中電流密度變化大、鋁型材形狀和結構復雜等各種因素，需適當降低陽極氧化溫度上限、增加氧化時間和電壓。

本研究優化出的節能工藝在山東某鋁型材廠實施工業應用，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，對該廠產品抽檢，按GB/T 5237.2—2008［6］中AA10（16 h）標準規定進行CASS 實驗，測試陽極氧化膜耐蝕性，檢測結果均為9～10 級，均為合格；按標準規定進行落砂實驗，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 ℃，只要冷卻系統的冷卻水溫度保持在18～25 ℃就可以實現槽液溫度控制。 當地氣溫在18 ℃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），因此可以大大節省冷凍系統能耗。

該廠氧化生產線全年節省電耗3 264 512 度，按相關資料數據（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能工藝后，該廠每年可減排二氧化碳2 562 噸左右，節能減排效果明顯。

該廠一條年產10 000 t 鋁型材的陽極氧化生產線使用以上節能工藝，一年節省費用（節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 論

1） 優化實驗得到適宜建筑鋁型材寬溫快速陽極氧化節能工藝條件為：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能耗；氧化槽電壓降低10%、陽極氧化時間節省20%，進一步降低了陽極氧化能耗，提高了生產效率；同時，氧化膜耐蝕性、耐磨性均能達到相應國家標準。

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