鋁合金陽極氧化技術研究

李健安，羅銘強

（廣東興發鋁業有限公司，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作業時，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，因為設備本身存在熱耗，應持續以循環水開展降溫工序，1t水一般需耗電約1000kW·h，同時利用輔助設備一并降溫，可有效節約用電量。圖1為陽極氧化原理。

圖1 陽極氧化原理

2 化學預處理

在陽極氧化前開展的工序步驟一般被認作預處理作業，現化學預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，得到品質上乘的氧化膜。

2.1 脫脂

將槽液中的有效要素控制在合適范疇，繼而將槽內反應起泡數值和型材吊起后水膜狀態結合起來，觀測脫脂品質，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，油脂會發生水解，生成甘油和相應的高級脂肪酸，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的鋁離子濃度，又能降低脫脂的生產成本和廢水處理負擔[1]。

2.2 堿蝕

堿蝕工序需掌控好調整氫氧化鈉和鋁離子的攝入量、液溫和反應間隔。鑒于堿蝕反應和調整氫氧化鈉的溫度和速度呈線性關系，時長過久或溫度太高極易導致腐蝕。工藝的相關數據幅度太大也較易影響表層光澤度，作業時需恪守調整氫氧化鈉的預設值，控制在預設值±5g/L內浮動，溫度則在預設值±2℃范疇內浮動，時長也需嚴格控制在預設要求開展。

2.3 中和（出光）

中和工序關鍵在于掌控好存有的游離酸量。需觀測槽液內鋁離子的量，定時開展排放，如加入硝酸、硝酸混合酸等中和作業，需增加后續的水洗工序，如添置一道水洗或引入噴淋設備，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。開展硫酸中和作業后應校驗的水洗水質，應定時排出所用水，預防因Mg2Si粒子的偏聚而導致型材大規模出現腐蝕斑點。

3 硫酸陽極氧化

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

硫酸是陽極氧化內部所需的電解質，它的濃度不僅關乎槽液的導電功效，也能消融氧化膜，繼而影響膜的孔徑大小、厚度、耐受性等。所以作業時需嚴格控制濃度的預設值，實際所用濃度在預設值±5g/L內浮動。需增添純度高、雜離子量小的濃硫酸，預防Fe、Mn等雜離子持續輸入氧化槽，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據，也影響了氧化膜的生成。為提高氧化膜的品質，需將氧化預設溫度控制在±（1～2）℃以內，實際生產時溫度大致控制在19～21℃，溫度過高需開啟冷卻設備。

3.3 電流密度

在型材生成氧化膜作業中，電流密度是控制成膜厚度關鍵要素，密度越高，確定時長內生成膜的厚度更大，但電流密度過密（＞150A/m2），則極易因由過熱而導致氧化膜損傷。所以獲得適合的氧化膜厚度，應按照實際生產狀況，根據不同的型材要求，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，既能保證生產速度的同時也能提高氧化膜的品質。

3.4 氧化時間

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

3.5 槽液攪拌

攪拌工序的重難點是如何平衡分設氧化槽液的溫度勻，并及時消除作業時表層所生成的熱量。一般工序將槽液泄到氧化副槽內，再經由循環泵提取到主槽，通過在流泄的過程中循環減溫，這一過程被稱為循環攪拌。在換熱器外側有冷卻水流過時，也能對槽液減溫，間距通常為2～3次/h，循環值過低或溫度不穩，極易導致槽的上下和雙端溫差間距大，導致雙端和上下膜厚也相差很大；數值太高則槽液流速加快，在槽內的型材會由于擺動而生成短路現象。為免突發短路現象，在大型立式生產工序中會提前預置放電打夾具，直接杜絕短路現象的發生。

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，標準規定是開展三道水洗工序。實際作業時，應控制水洗槽的水溫、時長和PH的預設值。最后那道水洗應引入工業純水，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節水流值，確保3個水洗槽的PH呈梯度。控制水洗時長，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，導致膜表層出現紋裂和著色斑駁等。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，導致后期著色不勻，尤其是在單鎳鹽生產工藝中更為嚴重。將氧化和水洗技藝控制在預設范疇內，可以獲得厚度勻稱、狀態良好的型材表層氧化膜，后期著色質量也很好[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將非晶態的氧化鋁轉化成水合氧化鋁，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，優點是速度快、水質的依賴性小、少出現白灰、褪色風險小。設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，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，避免產品出現高溫微裂。

4.3 中溫封孔工藝

針對熱封和冷封工藝的缺陷開發出無機鹽中溫封孔技術，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生白灰或者變色，工藝應用范圍較小。

（3）乙酸鎳封孔：封孔品質比較好，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是內含羧基的陰離子型聚合物，一般涂料物質指的是丙烯酸樹脂，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，通過交聯穩固再成膜。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。每次作業都會直接影響到型材的品質，所以應嚴肅控制每層作業開展，實際操作需恪守預設要求，確保作業的持續性開展。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，旨在深度清理殘存在型材表層的雜質以及膜孔內部的雜離子和硫酸根，且發揮“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，發揮“半封孔”的效用。實際作業重難點關在于掌控電流量、溫度、時長和PH。電導率對水質有影響，進而決定水洗品質，所以配槽時需引入純水，在生產期需定時將所有水更新，把電導率掌控在100μs/cm以下。溫度則掌控在55～65℃，溫度太低無法發揮效果，溫度太高則會封鎖氧化膜，降低經濟效益，常規情況下時長為3～5min。PH太小會導致水品質較酸，極易導致烘干鋁材之后變黃。

5.2 高純水洗

開展高純水洗水作業時溫度應適宜，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。嚴格控制預設電導率，配槽時引入純水，平時生產電導率需掌控至60μs/cm以下，太高極易造成型材上部表層出現大量皺皮。

5.3 電泳（ED）

電泳工序難點在于控制電泳槽的固成份、PH、電導率、溫度和溶劑含量。需嚴格將固成份實際作業所用量控制在預設分量±0.5范疇內，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，這2個數據變動可反射出液內雜離子的數值，隨著生產推進，PH和電導率也隨之提高，需定時減小PH和電流量，將其保持在上下變動值范疇內，實際作業溫度也應維持在預設值±2℃之內。根據溶劑含量適當增加消泡劑和流平劑，以保持電泳槽平穩運行。圖4為電泳槽。

圖4 電泳槽

5.4 電泳后循環水洗

電泳工藝中的電泳主槽和后期兩道水洗作業共組成一套閉環，再利用電泳漆回收設備，達到不斷循環的效果，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，應增強控制后期水洗時固成份含量，在作業時泄出液固定的情況下進行回收，再通過液值（固體份、電導率、PH）來決定循環水洗槽的準備量。

5.5 固化

在電泳涂漆的固化作業環節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，確保固化作業時處于常溫狀態，才可得到漆膜效能平穩的規模性產品。按時檢測固化爐的溫度，根據溫度變化開展調節工序，確保爐子正常運作。

6 結語

鋁合金陽極氧化技術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秀的品質，是目前研究和開發較為深入與全面的表面處理技術，本文對極氧化性能的技術工藝進行了探究及分析總結，掌握提高陽極氧化性能的方法。