鋁合金的氧化處理工藝:陽極氧化處理后新鋁及鋁合金封閉工藝詳解
陽極氧化處理后新鋁及鋁合金封閉工藝詳解
??鋁及鋁合金因其優(yōu)越的材料性能而得到了廣泛應(yīng)用，與此同時，材料表面的裝飾、防護(hù)技術(shù)也得到迅速發(fā)展。在這些表面防護(hù)技術(shù)中，最常用的是對鋁及鋁合金材料表面進(jìn)行陽極氧化、電解著色和鋁合金封閉處理工藝。
??鋁或鋁合金經(jīng)過陽極氧化處理后，金屬表面會形成一層氧化膜（Al2O3），氧化膜的表層是多孔狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)地較為疏松，而底層較為致密。為了美觀或其他特殊需要，常常還要對氧化膜進(jìn)行電解著色處理，使材料表面著上顏色。由于陽極氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)和強吸附性能，表面易被污染，尤其處在腐蝕性環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)進(jìn)入孔內(nèi)易引起腐蝕。因此，經(jīng)陽極氧化后的皮膜不管著色與否，均需進(jìn)行鋁合金封閉處理工藝。
??鋁合金封閉處理工藝的原理就是通過沸水或化學(xué)溶液使得多孔狀的氧化膜發(fā)生水解反應(yīng)，形成Al（OH）3（化學(xué)封閉中會形成多種水解產(chǎn)物），體積膨脹后將氧化膜表面的微孔填充，使得工件表面的耐磨性和耐蝕性得到較大改善。氧化膜封閉的方法很多，如有沸水封閉法、蒸汽封閉法、鹽溶液封閉法和石蠟、油類和樹脂封閉法等等，以提高氧化膜的抗蝕、絕緣和耐磨等性能、以及減弱它對雜質(zhì)或油污的吸附。
一、沸水封閉處理
沸水熱封閉主要是將染色后的工件在沸水中煮約30分鐘即可，目前這種工藝對水質(zhì)要求很高，必須是蒸餾水，且要去離子化、PH值5-7之間、溫度98℃。高溫水蒸氣封閉是由德國提出來的封閉工藝，它是將染色后的工件置于高壓、100℃-110℃的蒸氣中進(jìn)行封閉。該方法封閉速度稍快，效果稍好一些。但高壓蒸氣要求在密閉的容器中，該方法設(shè)備成本高、不適于大件的處理。
沸水封閉（或蒸汽封閉）的原理，是氧化膜表面和孔壁的A1203在沸水中發(fā)生水化反應(yīng)，生成水合氧化鋁，使原來氧化膜的體積增加33～100%，氧化膜體積的膨脹使膜孔顯著縮小，從而達(dá)到封孔的目的。
沸水封閉宜采用蒸餾水或去離子水，而不用自來水，以防水垢被吸附在氧化膜孔中，使皮膜透明度下降。
實踐證明，采用中性蒸餾水封閉，制品易產(chǎn)生霧狀塊的外觀，影響表面光亮度。采用微酸性的蒸餾水封閉，可得到良好的封閉狀態(tài)。
沸水封閉的工藝條件如下：
溫度 95～100℃
pH值 5．5～6（用醋酸調(diào)節(jié)）
時間 10～30min
二、蒸汽封閉
水蒸氣封閉的效果要比沸水封閉好，但成本較高。一般適用于封閉要求較高的裝飾性零件。蒸汽封閉還可防止某些染料在水封閉中的流色現(xiàn)象，而且利用蒸汽壓力對氧化膜的壓縮作用，可提高膜層的致密程度。
蒸汽封閉的工藝條件如下：
溫度 100～110℃
壓力 0.05～0.1 MPa （0．5～1 kgf/cm2）
時間膜厚 4～5min/ｕm
三、鹽溶液封閉
1、 重鉻酸鹽封閉
??中溫化學(xué)封閉是利用強氧化性的重鉻酸鹽，在較高溫度下（90℃）與氧化膜作用生成堿式鉻酸鋁及堿式重鉻酸鋁沉淀以及氧化鋁的水合物將孔封閉，被認(rèn)為是各種封閉方法中氧化膜耐蝕性能較好的一種封孔技術(shù)。
重鉻酸鹽封閉法（俗稱填充法），是在重鉻酸鹽的水溶液中。氧化膜吸附了重鉻酸鹽后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成堿式鉻酸鋁[Al （OH）.Cr04]和重鉻酸鋁[Al（OH）.Cr207]，這些生成物填滿皮膜的孔隙、起封孔作用。經(jīng)重鉻酸鹽封閉的制品表面呈橙黃色。零件在鋁合金封閉處理工藝前，必須仔細(xì)用冷水清洗潔凈，以免將遺留在零件上的硫酸帶到封閉槽中，對膜層色澤起破壞作用，防止零件與槽體接觸、損壞氧化膜。封閉液中有害雜質(zhì)S042- >0.2g/L時，會使封閉的零件色澤變淡、發(fā)白?？杉尤脒m量鉻酸鈣（CaCr04)沉淀過濾排除．當(dāng)Si032- >0.02g/L時，造成制品發(fā)白和顏色發(fā)花，并影響抗蝕性能，可用添加硫酸鋁鉀[K2A12 （S04)4·24H20] 0.1～0.l5g/L來解決（根據(jù)生產(chǎn)情況每月添加3～4次）。當(dāng)Cl- >1.5g/L時，對封閉溶液必須進(jìn)行稀釋或更換，因氯離子對氧化膜有腐蝕作用。
2、 水解鹽類的封閉
??在某些金屬鹽溶液中，利用金屬鹽被氧化膜吸附后，發(fā)生水解作用，生成氫氧化物沉淀，填充在孔隙內(nèi)，達(dá)到封閉的目的。常用作封閉的金屬鹽有鉆、鎳鹽類。由于這些沉淀的氫氧化物幾乎是無色透明的，而且它還能與有機染料分子形成絡(luò)合物，因此，水解鹽封閉法特別適用于防護(hù)一裝飾性氧化膜經(jīng)著色后的鋁合金封閉處理工藝。
??冷封閉首先是由意大利提出來的一種封閉工藝，它是將工件浸入常溫下的以NiF2為主的化學(xué)溶液中，通過離子交換以及水合反應(yīng)形成Ni（OH）2，AI（OH）3混合水合物沉積，從而使氧化膜孔隙實現(xiàn)封閉。該方法對水質(zhì)要求低、常溫進(jìn)行能耗低、封閉時間短。技術(shù)的缺點是鎳對環(huán)境污染及人身損壞嚴(yán)重，該方法至今未獲得國際上的認(rèn)同。
??現(xiàn)有的封閉工藝基本滿足了常規(guī)應(yīng)用場合的使用需求，但在一些對工件表面潔凈度要求苛刻的領(lǐng)域（如慣性約束聚變、航天等），上述多數(shù)封閉工藝是不能夠達(dá)到要求的。經(jīng)過鋁合金封閉處理工藝的零件用酒精擦拭時就會出現(xiàn)大量褪色現(xiàn)象，氧化膜表面的耐磨性和耐蝕性較差，容易對潔凈環(huán)境造成污染。而能夠達(dá)到要求的個別工藝其成本很高，是普通工藝的幾十倍。
??為了解決這一問題，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所先進(jìn)光學(xué)技術(shù)研究室閆亞東、王鋒、何俊華等科研人員提出了一種鋁合金陽極氧化電解著色的封閉工藝。此工藝因水解溫度逐漸降低，整個過程周期較長，水解過程由快逐漸變慢，為水解產(chǎn)物在氧化膜表面充分、致密附著提供了足夠的時間。通過緩慢降溫至室溫的過程，避免了常規(guī)沸水封閉工藝中工件由高溫迅速冷卻導(dǎo)致水解膜快速脫水而開裂的現(xiàn)象，表面裂紋會大幅降低表面的耐磨性和耐蝕性。
??該發(fā)明對經(jīng)過普通陽極氧化染黑處理后的工件封閉后，用百潔布沾酒精反復(fù)擦拭，百潔布潔凈如初?！颁X合金陽極氧化電解著色的封閉工藝”技術(shù)簡單、成本低、無污染、封閉效果好，在慣性約束聚變及航天載荷中得到了驗證，目前已獲國家發(fā)明專利授權(quán)。
鋁合金封閉工藝常見故障分析
工件局部燒焦
（1）.工件與陰極短路
（2）.工件之間的接觸
工件與夾具接觸處少交
（1）.夾具氧化膜沒有除盡
（2）.工件與夾具之間接觸不良
氧化膜疏松.粉化、脫落
（1）.溫度過高 DA過大、時間過長
（2）.濃度過高
（3）. 氧化前工件表面有腐蝕物, 未出光或出光效果差（濃度低、時間短等）.。
5. 4 氧化膜光澤性差、 發(fā)暗
（1）.堿蝕時間太長;
（2）.氧化液濃度過高或過低;
（3）.氧化過程中經(jīng)常斷電。
5. 5 氧化膜有白色斑痕或白色陰影
（1）.H 2SO4 濃度太高;
（2）.溫度過高、 D A 過大;
（3）.鋁離子含量> 20 g/ L ;
（4）.工件局部被遮擋或屏蔽, 低凹處D A過小,氧化膜薄。
5. 6 氧化膜出現(xiàn)黑色斑點或黑色條紋
（1）.工件油污未除盡;
（2）.電解液有懸浮物;
（3）.電解液含Cu2+、 Fe2+多;
（4）.工件清洗不凈就封閉;
（5）.電解液中 Cl-含量過高, 在水中停 留時間過長。
5. 7 工件經(jīng)沸水封閉后仍易于沾上手指印
（1）.封閉溫度過低或時間過短;
（2）.水中A l （OH）. 3 太多。
5. 8 開始氧化時電流劇升, 但反應(yīng)緩慢
（1）.工件裝夾不牢;
（2）.夾具使用前未經(jīng)退膜處理;
（3）.導(dǎo)線銅線鼻與銅棒接觸不牢, 導(dǎo)電不良;
（4）.鉛板導(dǎo)電不良。
6 問題與改進(jìn)
6. 1 槽溫控制
由于氧化工件較多, 時間過長（連續(xù)工作制）., 槽液體積偏小, 加上缺少冷卻條件, 難以滿足氧化工藝要求, 直接影響氧化質(zhì)量和生產(chǎn)效率。改進(jìn)方法:
（1）. 增加一個氧化備用槽, 便于輪換工作。
（2）. 采用壓縮空氣攪拌。從槽底吹入過濾的壓縮空氣, 吹入量12 ~ 36 m3/ h, 壓力1.5 ~ 5.0 kPa 。從長遠(yuǎn)生產(chǎn)出發(fā), 盡可能購一臺制冷設(shè)備。
（3）. 改進(jìn)氧化工藝配方添加一定量的草酸（2~5 g/ L）., 以適合在較高的溫度下能正常工作, 同時使膜層顏色加深（用戶要求深灰黑色, 有一定光澤）.。
6. 2 夾具材質(zhì)的優(yōu)選
鋁質(zhì)夾具每次使用后要退膜, 基材腐蝕很快, 耗材較多, 裝夾性變差（因鋁材厚度變薄, 裝夾不牢）.。
改進(jìn)方法:
（1）. 盡管增加鋁材厚度（≥3 mm）.;
（2）. 改用鈦材。雖然首次投資相對高一些 , 且導(dǎo)電性不如鋁材, 但鈦材氧化后無需退膜, 省材省時,有一定優(yōu)越性。
6. 3 能耗的優(yōu)化
因電加熱能耗過大, 且加熱管易損, 成本過高。
改進(jìn)方法:
（1）. 以蒸汽加熱代替電加熱, 大幅度降低能耗;
（2）. 改造封閉槽結(jié)構(gòu)。水泥槽（內(nèi)襯瓷板）.保溫性差, 散熱快, 熱耗大, 槽體開裂?？梢灾埔粋€不銹鋼內(nèi)槽置于水泥槽內(nèi), 增加保溫層, 并適當(dāng)減少槽液容積, 達(dá)到升溫快、保溫好、能耗低的目的。
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