鋁及鋁合金兩步電解著色

(一)概述

    鋁及鋁合金兩步電解著色法就是通常說的電解著色法，它不同于上述的自然發(fā)色法(整體著色法)，自然發(fā)色只需一次電解就可以使鋁合金表面生成有色的鋁合金陽極氧化膜，而兩步著色法要分兩步走，也就是通過兩次電解才能得到有色的陽極氧化膜。第一次電解使鋁合金生成無色的陽極氧化膜，然后再在含有無機(jī)金屬鹽的電解質(zhì)溶液中電解才能使陽極氧化膜著色。

    早在1936年就有了用金屬鹽使鋁陽極氧化膜電解著色的試驗(yàn)出現(xiàn)，直到1963年日本人淺田的研究成果獲得專利之后，才在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，并且又開發(fā)出許多新的電解著色法，也就是因?yàn)槭褂秒娫吹牟ㄐ秃椭娊庖撼煞值牟煌纬刹煌姆椒ā１?SPAN lang=EN-US>4-6列出各種分類方法的電解著色法，電解著色有用交流法和直流法兩種，國內(nèi)外使用較為普遍的是交流法。淺田法就是交流法的代表。

表4-6鋁及鋁合金陽極氯化膜電解著色法分類

    電解著色的實(shí)質(zhì)就是無機(jī)鹽中的金屬微粒沉積于陽極氧化膜孔的底部而發(fā)色的[見圖4-1(b)]，也有人稱為無機(jī)電解著色，自然電解發(fā)色則稱有機(jī)電解著色。電解著色的總工藝流程如下：鋁及鋁合金工件→除油→溫水洗→堿蝕→溫水洗→冷水洗→中和→水洗→硫酸陽極氧化→冷水洗→純水洗→電解(交流或直流)著色→冷水洗→熱水洗→封孔→熱水洗→干燥一成品。

    (二)鋁及鋁合金陽極氧化工藝

鋁及鋁合金普通陽極氧化工藝最常用的有硫酸法、草酸法和鉻酸法。這幾種方法的主要區(qū)別在于電解溶液中的主酸不同，因而電解工藝參數(shù)不同，而所得到陽極氧化膜的性能也不同。硫酸法的陽極氧化工藝用得最廣泛。與其余兩種方法比較有其優(yōu)點(diǎn)，兩步電解著色或吸附法著色也都是用硫酸法進(jìn)行陽極氧化，然后再電解著色或吸附著色的。   

硫酸陽極氧化是在15％～20％的硫酸溶液中，以直流(或交流)電進(jìn)行鋁或鋁合金的陽極氧化處理的。鋁及鋁合金陽極氧化的電解液成分簡(jiǎn)單、價(jià)廉，操作方便，易掌握，耗電小，生產(chǎn)成本低，又能獲得具有一定硬度、耐磨性好、耐蝕性好、吸附性能也好的陽極氧化膜，所以得到國內(nèi)外生產(chǎn)廠家廣泛應(yīng)用。鋁及鋁合金硫酸法陽極氧化工藝如下：鋁及鋁合金制件→化學(xué)除油→熱水洗→冷水洗→堿蝕→熱水洗→冷水洗→出光→冷水洗→陽極氧化→冷水洗→熱水洗→電解著色(如不著色，則干燥包裝)。

    鋁及鋁合金硫酸法電解著色的溶液配方及工藝條件見表4—7。

表4-7鋁和鋁合金硫酸法陽極氯化溶液配方及工藝條件

    決定鋁及鋁合金陽極氧化膜性能的指標(biāo)有顏色的色澤、膜的厚度、膜的硬度、表觀密度、耐蝕性、耐磨性、耐光性、耐熱性等，其檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)范圍均有規(guī)定。

    陽極氧化處理的工藝參數(shù)對(duì)陽極氧化膜的性能有很大影響。一般情況下，電解液中的硫酸濃度對(duì)膜厚的影響不大，但對(duì)耐磨性和耐蝕性有較大影響，硫酸含量高時(shí)，膜的耐蝕性能略有下降。溶液中A1³⁺濃度太高或太低也會(huì)使膜的耐磨性和耐蝕性下降。一般以1～5g／L為宜。電解溶液的溫度過高，氧化過程中膜的溶解加快，故降低溫度可增加膜的厚度及提高硬度和耐磨性。膜的耐蝕性是在20℃時(shí)最好。

    此外，氧化膜(Al₂e0₃)生成是放熱反應(yīng)，所以溶液的溫度會(huì)不斷地升高，因此陽極氧化槽應(yīng)有冷卻裝置和空氣攪拌，以便及時(shí)散熱。再有，陽極氧化的電流密度影響也不小，電流密度提高，膜的生長速度加快，膜的孔隙率增大，但會(huì)影響膜的均勻性和硬度等，當(dāng)電流密度超過6A／dm²時(shí)，膜的生長速度變化變小。因此，鋁及鋁合金陽極氧化的溶液配方及工藝參數(shù)可以根據(jù)用途特別是對(duì)膜的質(zhì)量要求做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

(三)瓷質(zhì)陽極氧化及著色

1．瓷質(zhì)陽極氧化膜的特點(diǎn)以鈦鹽(或鉻酐)為基礎(chǔ)的電解溶液可以使拋光后的硬鋁工件

上獲得光滑、均勻、外觀類似瓷釉或塑料表面的氧化膜，也叫瓷質(zhì)陽極氧化膜。它的特點(diǎn)如下。

    ①氧化膜的膜層致密，硬度高，耐磨性好，而且它的絕緣性、絕熱性能也較好，耐腐蝕性能優(yōu)于硫酸陽極氧化膜。

    ②氧化膜不透明，可掩蓋加工中缺陷，裝飾效果好，對(duì)加工工件的表面要求低，既適用于處理高精度工件，也適用于普通的工件。

    ③膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，可經(jīng)受外力沖擊，可用于壓力沖壓加工場(chǎng)合。

    ④氧化膜層的吸附力好，可以根據(jù)需要染成各種比較深的顏色。

    2．工藝流程

    鋁及鋁合金工件→輕微機(jī)械拋光→化學(xué)除油→熱水清洗→冷水洗→硝酸液出光→冷水洗→瓷質(zhì)陽極氧化→水清洗→蒸餾水清洗→染色→冷水清洗→蒸餾水(pH=5～6，>100℃)中封閉→干燥→輕微擦光→檢驗(yàn)→成品。

    3．瓷質(zhì)陽極氧化工藝

    (1)普通鋁件的電解溶液配方及工藝

    ①常用的電解溶液配方及工藝條件  常用瓷質(zhì)陽極氧化電解溶液的配方及工藝條件見表4-8。表4-8常用瓷質(zhì)陽極氧化溶液配方及工藝條件

②操作注意事項(xiàng)  氧化開始時(shí)，電壓應(yīng)由零逐步升到20～40V，然后保持到一定值。操作結(jié)束時(shí)應(yīng)在斷電情況下取出工件。

③溶液成分及含量的影響

    a．鉻酸影響溶液電導(dǎo)、氧化膜的生長速度及膜的顏色，使膜的顏色向仿瓷方向變化。在工藝范圍條件內(nèi)，仿瓷的效果最好。如果鉻酸的含量增加，可令氧化膜向不透明灰色方向轉(zhuǎn)變。

    b．草酸  如果含量在工藝允許范圍內(nèi)，氧化膜的仿瓷效果好，含量過多或過少時(shí)均不好。草酸含量增加，膜的顏色發(fā)黃。

    C．硼酸含量在工藝范圍內(nèi)最佳，如含量增加，氧化膜向乳白色轉(zhuǎn)變。

    d．雜質(zhì)  溶液中雜質(zhì)的允許含量為Al³⁺30g／L,Cl^-0.03～0.04g／L，Cu²⁺1.0g／L。

    ④工藝條件對(duì)陽極氧化的影響

    a．溶液溫度溫度升高，膜的生長速度加快，但溫度過高時(shí)，速度反而下降，而且膜的表面變得粗糙，且隨著溫度升高，電流密度增大，氧化膜的透明度及光澤下降。

    b．氧化電壓  電壓過低時(shí)，膜薄而透明，電壓過高，膜層由灰色變成深灰色。

    C．氧化時(shí)間  氧化時(shí)間長，膜層變厚，但達(dá)到一定的厚度以后(>16µm)，增厚減緩。

    根據(jù)上述情況，為了控制氧化膜的顏色，可以采用電壓、溫度不變，改變時(shí)間；或者電壓、時(shí)間不變，改變溫度；也可以采用溫度、時(shí)間不變，改變電壓等方法操作。

    (2)高精度工件的陽極氧化及裝飾工藝

    ①陽極氧化溶液配方及工藝條件  用于高精度、耐磨件裝飾用的陽極氧化溶液配方及工藝條件如下：

    ②操作注意事項(xiàng)  氧化開始時(shí)，電流密度應(yīng)為2～3A／dm²,5～10min內(nèi)調(diào)電壓至90～120V，電流則隨著膜層的增厚而下降，并達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值l～1,5A／dm²。氧化過程中，溶液的顏色變棕，然后又消失。為了提高膜層的硬度及耐磨性，可以增加草酸、檸檬酸的含量使溶液的pH值達(dá)到1～1.3范圍內(nèi)。

    (四)電解著色工藝

    電解著色就是將經(jīng)過常規(guī)硫酸法(或其他方法)陽極氧化處理過的鋁或鋁合金工件放在含有金屬鹽的電解著色溶液中進(jìn)行交流(或直流)電解，使氧化膜顯色。一般來說使用交流電解只用交流變壓器即可，不必用直流電源設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，只要控制交流電壓和時(shí)間即可得到色膜。鋁及鋁合金電解著色液配方及工藝條件見表4-9．

表4-9  常用的鋁和鋁合金電解著色液配方及工藝條件

實(shí)際上很多種金屬的無機(jī)鹽溶液都可以做為電解著色液，溶液的配方及工藝也有很多種。國內(nèi)常用的主要是鎳鹽、錫鹽和鈷鹽為主鹽或者這三種鹽組合而成的著色液。其中亞錫鹽的著色最容易掌握，也比較簡(jiǎn)單，所得色澤范圍也較寬，只要控制著色時(shí)間，就可以得到由青銅色到黃色到古銅色、棕色，最后為黑色的各種顏色，而且色澤很均勻一致，但是槽液不穩(wěn)定，亞錫離子(Sn₂₊)很容易氧化成錫離子(Sn₄₊)形成白色沉淀，故必須加入穩(wěn)定劑防止其氧化沉淀過快。作者20世紀(jì)80年代在南海、順德一帶幾家鋁型材廠就是采取亞錫鹽著色并添加穩(wěn)定劑，后來也有改用鎳鹽為主的著色液。鎳鹽著色液穩(wěn)定性比較好，污染敏感性也較少，成本相對(duì)也較低，但是著色的范圍較窄，尤其是深黑色很難得到顏色的均一性，有時(shí)也不好控制。

    交流電解著色的處理過程中，鋁及鋁合金工件經(jīng)陽極氧化后，要清洗干凈氧化的酸液，然后馬上放進(jìn)著色槽著色。在空氣中停留的時(shí)間不能過長，如未能馬上進(jìn)入著色槽，應(yīng)浸泡在潔凈的清水中，避免被空氣氧化。進(jìn)入著色槽后，不要馬上通電，應(yīng)先靜置1～2min，電壓用調(diào)壓器控制由零開始慢慢升高，并在lmin內(nèi)調(diào)至規(guī)定的著色電壓值。亞錫鹽或鎳鹽交流電解著色可以得到由青銅到黑色由淺至深的各種顏色。色澤的控制通常是恒定電壓，然后控制著色時(shí)間。也可以使電壓及時(shí)間同時(shí)改變的方法。一般是電壓低或時(shí)間短，顏色則淺，電壓高、時(shí)間長，則顏色深。

    (五)吸附著色工藝

    吸附著色就是將經(jīng)過陽極氧化處理的鋁或鋁合金工件放進(jìn)所需色澤的有機(jī)或無機(jī)染料中，使染料滲入膜的孔內(nèi)而著色[見圖4-l(a)]。鋁的硫酸法陽極氧化膜孔隙直徑為lOOnm左右，有機(jī)染料分子直徑約為l.5～2nm，無機(jī)染料分子的直徑還要小些，因此很容易滲透到孔內(nèi)，也就是被膜孔吸附。經(jīng)封孔處理以后，染料分子將較穩(wěn)定地儲(chǔ)存于孔內(nèi)，而不會(huì)流失脫落。

    吸附著色的色澤范圍較廣，其著色溶液配方及工藝也很多，可參考第三章第七節(jié)二。此外，目前市場(chǎng)流行仿金色彩，特別是鋁的工藝品、日用品燈飾等都喜歡染成金色。鋁及鋁合金陽極氧化膜吸附著金色的溶液配方及工藝條件見表4—10。

表4-10鋁陽極氯化著金色的溶液配方及工藝條件