基于鋁合金陽極氧化膜的表面著色技術及性能研究

凌付平

（1. 江蘇航運職業技術學院 教務處，江蘇 南通 226010 ；2. 南通德爾塔光學有限公司 技術部，江蘇 南通 226002）

鋁合金的陽極氧化與電解噴漆是鋁合金表面處理的主要方法之一。在電壓處理下，將鋁合金置于合適的電解質中作為陽極，在其表面上形成厚度為幾微米至幾十微米的陽極氧化膜，并且該氧化膜的表面為多孔蜂窩。在60 年代，人類開始使用氧化膜的多孔性來結合陽極氧化和電沉積技術來發明電解染色技術。鋁合金的陽極氧化和電解著色技術起源于歐洲。由于其操作簡便，工藝簡單，成本低廉，因此被廣泛應用于汽車、航空、造船、機械工程、建筑以及許多日常生活等領域。我國的電解染色技術始于80 年代，它一直是用鎳和錫鹽進行電解著色的過程，由于相同的顏色，染料液的穩定性和分散性等，這些問題沒有得到適當解決[1]。

1 基于鋁合金陽極氧化膜的表面著色技術設計

（1）著色裝置。本次設計的表面著色技術是在適當的電解液中放入被著色試樣（本次使用為鋁合金試樣），它用作陰極，當電流通過時，金屬顆粒、金屬氧化物和小的金屬顆粒與金屬氧化物混合，并電解沉積在陰極金屬表面上，從而實現鋁合金陽極氧化膜的表面著色。電解著色裝置需要由三個部分組成：首先電解液中溶于金屬的氧離子、氫離子等，目的是使鋁合金的試樣中其他離子在著色阻擋層附近直接傳播；其次電解液中溶于金屬的氫離子，目的是使純鋁在電解著色液與著顏阻隔膜涂層之間直接獲取其他電子，氫離子在著色阻隔膜涂層與著色阻隔之間直接獲取其他電子；最后經過金屬離子分離和電解生產出的氫氣。金屬的陽離子迅速沉積于陰極，與此同時，氫離子與陰極氣體發生堿性放電氧化反應，最終使得鋁合金陽極氧化膜能夠著色。

將陽極氧化鋁樣品浸入金屬鹽的電解液，樣品的電解過程是由電極形成的電路，并分離微孔中的金屬顆粒（有時還會出現氧化物），并且在被光散射時呈現獨特的顏色。本次設計的表面著色技術操作簡便，盡管電解著色溶液中金屬離子和氫離子共存，但是本次電解著色裝置能夠創造金屬優先放電的條件，盡量抑制氫離子的放電，保證電解著色的順利進行。

本次設計的表面著色技術，所需要的電解著色實驗裝置見圖1 。

（2）表面除油處理。鋁合金在陽極氧化之前必須經過預處理階段。包括脫脂、蝕刻和光照射，以去除表面的油脂和天然氧化物薄層。為了使表面更光滑，使制得的膜均勻并拋光，表面光潔處理后的作用表面光潔處理：除油( 采用化學處理去油) 浸蝕除脂：這是丙酮制油擦洗的主要方法，浸蝕之后可迅速除去多余油脂及天然的化學氧化物形成薄膜，使它的表面光潔性能比較高，使丙酮制成的油脂膜均勻而完整。

（3）拋光處理。為了在堿腐蝕后從零件的內表面完全去除灰燼，它還將中間和零件內表面的灰燼進行去除，其中利用殘留的酸和堿溶液，以防止化學電解液的污染，本處理實驗主要采用一種化學拋光處理方法，過程概要如下：拋光工藝:85% H3PO4、98% H2SO4、65%HNO3按比例為7:4:1 配置( 三酸拋光液)，室溫，時間:90-120 s。1.4。空轉也稱為酸洗或中和。其目的是在堿蝕刻后去除表面上的灰渣，并中和零件表面上的殘留堿液，以防止電解質污染，發光處理后的樣品表面變得光滑而明亮。

（4）電解著色。在進行電解著色時，并使用以下溶液：亞硒酸鈉、硫酸銅、絡合劑、導電鹽和加速溶液。在進行電解時，將相同材質的鋁片用作對電極，面積為1.5 ：1，電源使用交流穩壓器。

（5）水合封孔。在95-98℃的去離子水(PH6.5-7.5) 中浸泡30-40min 進行水合封孔。向電解槽中添加去離子水或蒸餾水，在劇烈攪拌條件下緩慢添加所需的硫酸，最后添加水至規定的體積，直到浴液冷卻至工藝規格中指定的溫度以進行采樣和分析，測試合格后即可使用。在攪拌下將所需的硫酸緩慢加入到蒸餾水體積的2/3 中。添加亞硒酸鈉和硫酸銅的堿性著色鹽，溶解后添加導電鹽和硼酸以及促進劑和絡合物，并稀釋至指定體積。

2 傳統著色技術與新型著色技術對比研究

（1）對比實驗。設置一組對照實驗，實驗對象為傳統著色氧化膜與新型著色氧化膜，影響陽極氧化膜性能的因素很多，正交試驗是一種可以科學設計和解決多元試驗問題的有效方法。通過正交試驗，得出各種因素對評價指標的影響規律。每個因素都有一個主要和次要的順序，并選擇適當的因素級別以創建合適的工作環境。因此，陽極氧化最佳工藝條件可以通過正交試驗確定，實際計劃如表2顯示。

表2 實驗計劃表

傳統鋁合金陽極氧化膜的表面著色技術應用的陽極氧化溶液為磷酸、草酸、混合酸。陽極氧化為交流陽極氧化法[2]。首先向電解池中添加3/4 工作體積的去離子水或蒸餾水，然后在劇烈攪拌下緩慢添加所需的硫酸，最后將水添加至指定的體積，等待浴液冷卻至過程規格中指定的溫度以進行采樣樣品。分析極化曲線使用上海辰華儀器有限公司制造的電化學工作站測量。利用三電極系統，飽和甘汞電極作為參考電極，鉑電極作為輔助電極，制備的樣品作為工作電極，腐蝕介質為3% NaC1 溶液[3]。

本實驗采用L16 (44) 正交設計實驗，以膜的厚度、孔隙的大小以及耐腐蝕性為實驗目的，對各個因素進行綜合分析，以確定新型氧化膜的著色技術優于傳統氧化膜的技術。對用于鋁合金基體陽極管的氧化層薄膜的發生抗腐蝕進行實驗，觀察其在鋁合金基體內部露出泡沫時間，在35℃時的溫度下反復操作，滴入氧化膜基體表面一滴NaCL 溶液，同時，運行秒表以觀察膜的腐蝕保護和起泡時間，接受標準基于不同的膜厚度。在中性鹽水、鹽酸溶液、NaOH溶液中各自浸泡30h觀察表面腐蝕狀況和腐蝕失重。

在不斷攪拌下將所需的硫酸緩慢加入到蒸餾水體積的2/3中。 然后，依次加入亞硒酸鈉和硫酸銅的著色堿性鹽，溶解后加入導電鹽和硼酸，加入促進劑和絡合劑并稀釋至規定體積。

根據全浸腐蝕試驗標準，分別將3% NaCL 溶液、酸堿溶液和室溫浸泡 30h 后取出，用刷子從樣品表面去除腐蝕性物質（機械方法），清潔干燥并使其干燥一天，然后用天平測量樣品的質量，取3 個平行試樣的均值。

利用馬弗爐在20℃、30℃和40 溫 2h 的恒溫下進行實驗，觀察和比較鋁制品在不同溫度條件下的顏色變化。

（2）傳統氧化膜與新型氧化膜膜厚對比。從圖2 中可以直觀地得出結論，傳統氧化膜厚度較厚，而新型氧化膜厚度較之更加輕薄，在較小的電流密度范圍內，隨著電流的增加硬度下降，厚度上升。這同樣是由于電流密度提高，氧化膜生長加快，成膜時間減短，膜層化學溶解時間縮長。它的厚度也相應增加。當電流密度超過 4A/dm2時，氧化膜厚度會隨著電流密度進一步擴大而下降。所以通常將電流密度控制在 4A/dm2左右為宜。

圖2 傳統氧化膜與新型氧化膜相同電流密度下膜厚對比

當電解液的溫度較低時，鋁合金陽極氧化膜會隨電解液的升高而增加，故膜厚度會隨著電流密度的增大而增厚，電流密度為10A/dm2時膜厚增至最大，此時測得的膜厚為40um，電流密度在超過10A/dm2時，膜厚降至35um，在一定的范圍內，隨著電流密度升高，多孔膜的厚度呈線性增加，但當電流密度達到一定程度之后，它們反而減小; 在這期間，突然降低或升高電流密度可形成膜孔隙的分支結構。

（3）新型氧化膜與傳統氧化膜孔隙大小對比。在陽極氧化過程中，電壓會影響鋁合金陽極氧化膜的表面直徑，如圖3。可以看出傳統陽極氧化膜和新型氧化膜在相同的電壓下產生的表面形狀，傳統陽極氧化膜的空洞較大，然而，經過陽極氧化處理的新陽極氧化膜的表面僅具有納米級的孔，并且表面上的孔規則地生長；隨著電壓繼續增加，兩個陽極氧化膜之間的孔徑反差也增加。主要原因是氧化電壓高于傳統的陽極氧化膜的阻擋層，多孔層的形成與基團的生長有關。隨著電壓的增加，勢壘層會不斷膨脹至鋁基體，勢壘層越厚，相關的多孔層就越厚。當應力增加時，阻擋層具有更大的溶解能力，因此，氧化膜的孔徑也更大。

圖3 新型氧化膜與傳統氧化膜表面對比圖

2.4 傳統氧化膜與新型氧化膜耐腐蝕性對比。如圖4 顯示，傳統氧化膜的腐蝕程度隨著時間推移不斷增大，且在15min 后快速腐蝕，30min 后接近50%，但新型氧化膜表現較為穩定，腐蝕程度相比傳統氧化膜更小，不高于25%，30min 后趨于平緩不再被腐蝕。傳統氧化膜容易被腐蝕是由于在氧化過程中，電解液隨著氧化的時間增長，其濃度變小，因此對膜孔徑有一定影響。而新型氧化膜由于染色的延長，染色的質量也越來愈好，這是由于染色劑的時間越長，進入氧化膜孔的量也越多，因此染色的質量就更好。另外，氧化時間改變了阻擋層和多孔膜的厚度，當成膜速率和溶解速率達到動態平衡時，陽極氧化膜增加，但是腐蝕對孔徑的影響很小。

圖4 傳統氧化膜與新型氧化膜耐腐蝕性對比圖

與傳統氧化膜相比，新型氧化膜擁有膜度薄、孔徑小、耐腐蝕性好的優點，通過此工藝能夠得到纖薄、細孔的光滑耐腐蝕膜層，新型陽極氧化涂料在一定程度上提高了鋁合金的耐蝕性，不僅滿足裝飾要求，而且進一步提高了耐蝕性。

3 結語

新的噴漆技術可以在鋁表面上形成具有良好防腐蝕作用的薄膜，從而改善表面光潔度并顯著提高金屬的耐腐蝕性。該技術簡單且制造安全，可以廣泛應用在金屬表面防腐蝕處理，但仍有許多不足之處需要進一步改善。比起傳統工藝，新型著色技術更加具有實用性，并且性能可以主要達到國家標準。但是，由于陽極氧化膜具有納米尺寸的孔，因此很容易被腐蝕離子腐蝕，因而之后需要進行進一步的研究，使用不同方法的封閉，選出最佳封閉的方法，改進新型著色技術。