阳极氧化生产线基本工艺原理及添加剂使用方法讲义

阳极氧化生产线基本工艺原理及添加剂使用方法讲义第一部分基本工艺原理1．铝及铝合金的基本知识1.1铝的物理性质原子序数13原子量27密度2.7g/cm3熔点660℃沸点2060℃1.2铝的化学性质铝是一种化学活度很大的金属，在自然条件下，铝表面会生成一层致密的自然氧化膜，使之不容易被腐蚀。自然氧化膜的厚度为0.001～0.003μm。一般说来，自然氧化膜在pH值=5～8的水溶液里是稳定的。1.3铝合金挤压生产中使用的铝合金通常为Al-Mg-Si合金，常用的Al-Mg-Si合金有以下几种：6063合金——铝型材挤压中使用最广泛的铝合金，适用于建筑铝门窗型材。6061合金——强度高，适用于自行车车圈材料的生产。6463合金——光亮度好，适用于装饰材料。铝合金表面在热处理过程中形成的高温氧化膜是自然氧化膜的十几倍。2．预处理2.1机械法预处理机械法预处理法的种类及效果见表1。表1机械法预处理法的种类及效果类型加工方法效果抛光法使用研磨剂、布轮镜面效果喷砂法使用不锈钢砂砂面效果拉丝法使用钢刷线状花纹2.2化学法预处理2.2.1脱脂处理脱脂处理也称作除油处理，目的是除去制品表面的油脂及其他污物。用单纯硫酸除油，并非真正要去除油脂，而是浸润表面，以保证在碱洗工序中，制品表面能够腐蚀均匀。脱脂处理常使用硫酸法。其工艺参数为：硫酸浓度5%～25%温度室温时间3～5min2.2.2蚀洗处理蚀洗处理也称碱洗处理，目的是进一步除掉制品表面的自然氧化膜使基体金属表面裸露出来。蚀洗处理还有整平表面和使表面产生砂面的作用。其工艺参数为：浓度添加剂：15～30g/L；氢氧化钠：35～70g/L温度40～65℃时间1～25min添加剂的作用是使型材表面浸蚀均匀，防止槽液结垢。基本反应：Al2O3+2NaOH—→2NaAlO2+H2O2Al+2NaOH+2H2O—→2NaAlO2+3H2↑2.2.3酸洗处理酸洗的目的是除掉腐蚀后残留在型材表面的黑色腐蚀产物，以获得光亮的金属表面，同时兼有中和碱液的作用。附着在型材表面的黑色蚀产物是铝合金中的硅、镁、铁、铜之类的杂质或金属组元在铝上沉积所形成的。常用酸洗法有：硝酸法：浓度：100～500g/L；温度：室温；时间：1～5min。适用于任何铝合金。硫酸法：浓度：100～800g/L；温度：室温；时间：3～6min。仅适用于6063合金。上述两种方法中，硝酸的效果更好一些，有时两种酸可以混用。2.2.4化学抛光化学抛光有三酸抛光和两酸抛光。3．阳极氧化处理3.1基本机理铝阳极氧化的实质就是水的电解（见图1），即电解液通电后在电流的作用下发生水解。图1阳极氧化处理机理示意图阳极：4OH--4e—→2H2O+O2↑阴极：2H++2e—→H2↑2Al3++3O2-—→Al2O3+热量Al2O3+3H2SO4—→Al2(SO4)3+3H2O在上述反应中，由于溶解和成膜同时发生，因而在铝型材表面形成针孔。针孔数目为：76×109/cm3。图2为氧化膜结构示意图；图3为氧化膜的显微照片；图4为乌德模型。图2氧化膜结构示意图图3氧化膜的显微照片图4乌德模型3.2工艺参数H2SO4浓度150～200g/L（最佳为160～180g/L）H2SO4浓度降低时会使维持一定电流密度所需的槽液电压升高，孔隙率减少，染色稍差，但硬度和耐蚀性提高；H2SO4浓度升高时的影响与降低时相反。温度（20±2）℃温度低时，透明性降低，着色性能降低；温度高时，氧化膜起粉，此时需要进行冷却和循环搅拌。Al3+的浓度5～20g/L大于20g/L时形成胶态粒子，出现白点、白斑或粉霜。电流密度100～200A/m2（最佳为120～135A/m2）氧化时间与膜厚σ=K·i·t其中：σ——膜厚/μmi——电流密度/A·dm-2t——氧化时间/minK——系数，与电流效率及成膜密度有关，系数范围：0.25～0.344．电解着色4.1着色机理通过电解把金属盐溶液中的金属离子沉积在阳极氧化膜的针孔底部。4.2工艺参数（以锡镍混盐为例）浓度硫酸：15～20g/L；硫酸镍：18～22g/L；硫酸亚锡：8～12g/L；BY-C11B(固体)：15～20g/L电压：15～20V温度（20±5）℃pH值0.8～1.0着色时间1～15min(预浸30～60s)说明：1）添加剂的作用是：提高着色的速度、均匀性和防止硫酸亚锡水解。2）硫酸的作用是：防止锡盐水解和提高电导。硫酸浓度偏低时，产品光泽性好，但亚锡稳定性下降；硫酸浓度太高时，着色速度极光泽度下降。3）电流与电压20～80A/m2（电流密度）电压为15～18V时着色速度最快。从理论上讲，着色电压不可高于氧化电压，否则易出现膜剥落现象，这是因为电流密度大时，造成析氢剧烈所致。电压升压时需缓慢进行(每3秒钟升压一伏，但有的浅色产品需要直接升压)，否则易产生着色不均匀。浅色系列的产品在生产时应注意：氧化膜最好控制在12μm，偏差越小越好。槽液的工艺参数波动范围越小越好，上料面积要精确计算。5．封孔多孔型阳极氧化膜的封孔工序是保证铝合金制品耐蚀性、耐候性、耐磨性，从而获得持久的使用性能的关键工序。常用方法有：常温封孔、中温封孔及电泳涂漆。5.1常温封孔的工艺参数浓度Ni2+浓度：0.8～1.3g/L；F-浓度：0.3～0.7g/L温度25～35℃速度0.7～1.2μm/minpH值5.5～7.0说明：1）[Ni2+]低时不易封孔，[Ni2+]高时，带出量大造成浪费。2）[F-]低时封不上孔，高时起粉。Ca3+、Mg2+、Al3+的引进都会消耗F-，需补加。3）温度低时封孔速度慢，温度高时起粉。4）pH值低时封不上孔，pH值高则会发生Ni2+沉淀。5.2中温封孔工艺参数Ni2+浓度0.8～1.3g/LpH值5.5～6.4温度45～55℃时间15～20min特点：1）不易挂灰2）不含F-3）适合厚膜（冷封孔厚膜易裂）4）封孔质量高于冷封孔6．水洗水洗是氧化生产中非常重要的环节，此环节若出现问题，将严重影响产品质量，甚至生产出不合格产品。6.1脱脂后的水洗脱脂后要经过两道水洗，目的是清洗掉型材表面的污物和残留的脱脂液，以免污染碱蚀槽。6.2碱蚀后的水洗碱蚀后也要经过两道水洗，目的是清洁型材表面和清除残留的碱蚀液，碱蚀后若不清洗，不仅会污染中和槽，而且结垢后所形成的腐蚀痕即便是返工也无法将其去除。6.3氧化后的水洗氧化后要进行两道水洗：第一道水洗的pH值1.5～2.5第二道水洗的pH值3.5～5.06.4着色后的水洗着色后需经两道水洗。第一道水洗的pH值1.5～2.5第二道水洗的pH值3.5～5.0。着色时，一般情况下前后四个水洗槽的pH值要相对稳定，开启一定量的溢流水，尽量避免整槽加水。氧化第一道水洗停留数分钟会加快着色速度，氧化第二道水洗停留则会减慢着色速度。型材料挂从着色槽及第一道水洗起吊后，不要停留时间过长，否则会出现色带，着色不均急泻水端头发白等缺陷。6.5封孔前水洗封孔前最好加一道纯水洗，以防止杂离子进入封孔槽，且pH值应控制在＞5，pH值低时不易封孔。第二部分添加剂的使用及槽液维护1．添加剂的作用1.1使用添加剂可使槽液稳定。如：碱蚀添加剂可以防止草叶结垢；着色添加剂可以防止Sn2+氧化。1.2可使型材表面反应均匀。1.3可提高反应速度。1.4提高电解液的导电性2．新槽液的配制配制新槽液的步骤如下：1）加水至槽体的2/3～3/4（有的需要加热至工作温度）。2）开启搅拌或循环。3）加入化学药品。a.按顺序添加b.固体药品需溶解后加入4）搅拌或循环0.5～1小时，静止2小时后分析槽液。下面以配制锡镍混盐槽为例加以说明（药品按加入顺序添加）。⑴加水至槽体的2/3～3/4；⑵开启搅拌或循环；⑶将硫酸（98%）按16g/L加入；⑷将BY-C11B（固体）在溶解罐中或水桶中用纯水或槽液溶解，按16g/L加入；⑸将硫酸镍在溶解罐中或水桶中用纯水或槽液溶解，按18g/L加入；⑹将硫酸亚锡在溶解罐中或水桶中用槽液溶解，按10g/L加入；⑺在搅拌或循环状态下，缓慢加入去离子水至液位。说明：①硫酸可以直接加入，说明注意事项；②用槽液溶解药品是为了防止水解产生沉淀；③缓慢加水为的是防止局部沉淀。3．槽液维护3.1槽液分析工作槽液要每天分析，产量大时要每班分析。要严格按工艺要求补加药品。在条件允许的情况下，工艺参数的波动范围要尽量小。3.2槽液调整调整槽液加药时，要开搅拌，加固体药品时，要先将药品溶解后再加入。着色槽药品要用槽液溶解。3.3pH值的调整调整槽液pH值用的酸或碱要配成3%～5%的稀溶液。3.4对清洗水的要求清洗水槽要保证其工艺要求的pH值及清洁度，以防止将杂质带入工作槽。3.5工作槽的维护着色槽不用时要加盖，以防止其他槽液进入。停产时，碱洗槽要保持40℃左右的温度。3.6倒槽清理工作槽产生沉淀物要定期倒槽清理。第三部分阳极氧化膜常见缺陷、产生原因及对策表1示出了在阳极氧化和封孔中容易出现的缺陷的特征、成因和防治措施。表2为在着色（电解着色和染色）和预处理中容易出现的缺陷的特征、成因和防治措施。表1阳极氧化和封孔发现的缺陷及其特征、成因及对策缺陷特征产生原因对策白斑（白点）表面有点状或水星状的白色花样，而氧化膜并未剥落合金中夹杂金属间化合物或其他异物，使氧化膜产生不连续处改善铸造和挤压，防止卷入异物；铝棒进行均匀化处理等表面有点状未着色部分，而氧化膜未剥落阳极氧化膜上附着碱雾末加大碱洗槽的排气能力，改变车间的气流方向等白灰阳极氧化发生的白灰见粉化（氧化灰）见粉化（氧化灰）封孔发生的白灰见粉化（封孔灰）见粉化（封孔灰）彩虹色（干涉色）阳极氧化膜出现彩虹色阳极氧化失败；如大气曝露后出现则表面有封孔灰全面检查工艺和设备粗晶表面（粗晶带）在挤压方向上呈粗晶条带或条纹，碱洗和阳极氧化使该缺陷显露挤压时，铝不能以均匀的速度流经模具；挤压比不够改进模具设计；加大挤压比点腐蚀阳极氧化膜上细微麻点，边缘处更为明显阳极氧化槽液氯化物含量高检查水质（槽液中去除氯离子非常困难）粉化（封孔灰）沸水封孔后发生的白灰，用湿布可以抹去；封孔灰不与染料作用，可与氧化灰相鉴别沸水封孔所用水的硬度高，如溶解了较多盐类的自来水更换封孔水；添加除灰剂；用20%（体积分数）的硝酸溶液洗灰，再用水清洗粉化（氧化灰）阳极氧化膜局部发生的白灰；湿布可以擦去，干燥后又再次出现阳极氧化局部过热槽液温度高；空气搅拌不充分；局部挂料太密黑斑阳极氧化后在挤压方向上大致等距离出现的黑、白或灰色斑挤压冷却时析出的Mg2Si中间相，使阳极氧化膜的结构紊乱加大加压的冷却风量；减小挤压件接触物的热导率焊合线明显中空型材在碱洗和氧化后出现发暗的线或带，偶尔在半中空挤压型材上发生挤压时，模具进口处金属的压力不够改进模具设计；加大挤压比碱洗流痕碱液在铝表面流动发生的碱蚀痕迹碱液局部腐蚀铝工件缩短碱洗槽转移到水洗的时间；降低碱洗液的温度；降低碱洗槽液的腐蚀性续表1缺陷特征产生原因对策亮度下降阳极氧化膜的亮度明显下降并且感觉失光发暗挤压出口温度过高或冷却太慢；氧化温度低或电流密度大；碱洗不良或除灰不够；氧化槽液重金属离子高；封孔工艺不当；厚氧化膜引起发光针对各种可能的原因，对症采取措施；硫酸质量须严格把关，如铁含量不宜过高；核对氧化膜的厚度铝盐沉淀阳极氧化膜上有白色沉淀物硫酸氧化槽液中氯离子高或铝盐饱和而沉淀析出控制铝离子含量最好低于20g/L膜剥离阳极氧化膜发生脱膜阳极氧化过程曾发生突然中止检查氧化程序，排除故障膜发绿镍盐封孔（含冷封孔）后阳极氧化膜呈浅绿色，有时候经过大气曝露才显露微孔中吸收镍太多；封孔槽液镍离子过高或pH值过高调整封孔槽液的镍离子和pH值膜泛黄阳极氧化膜带黄色，致使着色的色调变化电解液或合金中铁硅等杂质掺入氧化膜中；阳极氧化温度低或电流密度高降低槽液和合金的铁硅含量；核对阳极氧化工艺条件膜厚不足未得到预计的膜厚挂料面积计算有误；电接触不良；恒电压阳极氧化改为恒电流阳极氧化；核对挂料面积；检查电接触膜厚不均用一根料的膜厚或同一挂料上下的膜厚不同挂料工件过于密集；阴阳极的面积比不当；槽液上下温差