阳极氧化生产线基本工艺原理及添加剂使用方法讲义

1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/cm 3 熔点 660沸点 20601.2 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 0.0010.003m。一般说来，自然氧化膜在 pH值=58 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22.2 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 35min2.2.2 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：1530g/L；氢氧化钠：3570g/L 温度 4065 时间 125min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 2NaAlO 2 + H2O2Al + 2NaOH + 2H2O 2NaAlO 2 + 3H22.2.3 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：100500g/L；温度：室温；时间：15min。适用于任何铝合金。 硫酸法：浓度：100800g/L；温度：室温；时间：36min。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33.1 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 2H 2O + O2阴极： 2H + +2e H 22Al3+3O2- Al 2O3 + 热量Al2O3 +3H2SO4 Al 2(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： 76109/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4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 150200g/L（最佳为 160180g/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； H 2SO4浓度升高时的影响与降低时相反。温度 （202）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 520g/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 100200A/m 2（最佳为 120135A/m 2）氧化时间与膜厚 =Kit 其中： 膜厚/m i 电流密度/Adm -2t 氧化时间/min K 系数，与电流效率及成膜密度有关，系数范围：0.250.344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：1520g/L；硫酸镍：1822g/L；硫酸亚锡：812g/L；BY-C11B(固体)：1520g/L电压： 1520V温度 （205） pH值 0.81.0 着色时间 115min(预浸 3060s) 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。52）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 2080 A/m 2（电流密度）电压为 1518V 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 12m ，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 Ni 2+浓度：0.81.3g/L；F -浓度：0.30.7g/L温度 2535速度 0.71.2m/min pH值 5.57.0 说明：1）Ni 2+低时不易封孔，Ni 2+高时，带出量大造成浪费。2）F -低时封不上孔，高时起粉。Ca 3+、Mg 2+、Al 3+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 0.81.3g/LpH值 5.56.4温度 4555 时间 1520min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66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 1.52.5第二道水洗的 pH值 3.55.06.4 着色后的水洗着色后需经两道水洗。第一道水洗的 pH值 1.52.5第二道水洗的 pH值 3.55.0。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。7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 2/33/4（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 0.51 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） 。 加水至槽体的 2/33/4； 开启搅拌或循环； 将硫酸（98%）按 16g/L加入； 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； 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；将硫酸亚锡在溶解罐中或水桶中用槽液溶解，按 10g/L加入； 在搅拌或循环状态下，缓慢加入去离子水至液位。说明： 硫酸可以直接加入，说明注意事项； 用槽液溶解药品是为了防止水解产生沉淀； 缓慢加水为的是防止局部沉淀。3槽液维护3.1 槽液分析8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。3.3 pH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。9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白斑（白点） 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阳极氧化发生的白灰 见粉化（氧化灰） 见粉化（氧化灰）白灰封孔发生的白灰 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10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；槽液上下温差太大调整挂料之间、阴阳极之间的距离；合理布置阴极；加大槽液的循环量膜硬度下降（软膜）阳极氧化膜的硬度或耐磨性下降，硬质阳极氧化更为多见槽液温度或硫酸浓度高；槽液的循环或搅拌不够 降低槽温和加强搅拌膜烧损阳极氧化膜局部灾难性的程度不同的浸蚀，或伴有金属溶解阳极氧化时局部过热，尤其多见于高铜铝合金的金属间化合物大块析出位置维持良好搅拌；保持槽液温度；控制电流上升速度，最好采用脉冲电源阳极氧化氧化膜发暗 参见亮度下降 氧化温度低或电流密度大，使膜厚高于正常值 核对温度和电流密度氧化膜龟裂氧化膜发现裂纹（氧化，封孔、大气曝露或弯曲加工以后）沸水封孔发生由于膨胀产生的应力；由于电流密度太大发生硬质氧化；阳极氧化膜的塑性不够对症采取措施；冷封孔之后热水浸泡提高氧化膜的塑性11氧化膜疏松 膜的致密性差，疏松容易擦坏 阳极氧化温度高；电流密度大；氧化时间长 检查工艺参数并照章改正污灰 封孔后发现的灰色或褐色的污灰 阳极氧化前的除灰不干净 检查硫酸除灰质量或改用硝酸除灰指纹腐蚀痕（指痕）手指接触后留下的指纹腐蚀痕迹 手指上汗迹中的氯化物引起 操作人员不能赤手接触工件表 2 着色（点解着色和染色）和预处理中的常见缺陷及其成因和对策缺陷 特点 成因 对策染色后发现的白斑，染黑色更容易发生染色槽氯化物等杂质，引起电偶作用产生点蚀降低染色槽的氯离子含量；检查工件与夹具或与槽体是否构成电偶作用电解着色后发现的未着色的白色合金中的异物或金属间化合物着不上色；如有白斑拖尾则有氧化膜裂纹调整合金成分；防止卷入异物；铝棒充分均匀化；检查电解着色条件白色（白点）电解着色后不属于合金或氧化膜裂纹的白点电解着色前氧化膜上附着碱雾引起着色不良检查碱洗后的工序和厂房的气流表面沉积(松散沉积)电解着色得到表面灰黑色松散的沉积物，尤其在锡盐着色时发生pH 值过低，着色电压太高，或时间太长加入氢氧化钡，升高 pH 值，以降低硫酸浓度分布能力差型材电解着色后端部色深或色浅，或者一挂料周围深色或浅色电解着色槽和对电极的设计不佳；电解着色的电压不正确改变电解着色液和通电方式；端部颜色深则降低着色电压，反之亦然彗星斑 电解着色后表面发生小白点并有彗星状拖尾阳极氧化膜发生裂纹，裂纹产生的气体阻碍着色，多集中在材料的边棱位置检查电解着色和阳极氧化条件，尤其在脉冲氧化的情况下接触处发白 接触点附近着色不好发生白斑块 电接触不良检查接触位置，尤其注意工件表面氧化膜或涂料是否去除干净碱流痕（碱滴痕）电解着色后工件表面的碱液流痕使得颜色不均水洗没有洗净的碱液影响电解着色，尤其在镍盐着色的情况下加强碱洗之后的水洗膜局部剥落（膜破坏）电解着色后发现的大小不等的未着色白点由于着色电压太高或着色槽液污染，使得阳极氧化膜发生点状的局部剥落降低着色电压；去除着色槽液的杂质；提高阳极氧化电压剥落电解着色之后，甚至若干天以后发现氧化膜剥落，5XXX系比 6XXX 系严重电解着色的上升电压太快 降低电压上升速度染色不准 染色的颜色发生变化，可能稍深或稍浅染色槽液污染，重金属离子和铝离子超标；因加热和搅拌引起染料的破坏检查原因，尽量避免重新配槽12工件表面的酸液流痕使得电解着色的颜色不均阳极氧化等酸溶液附在料架、夹具等处未能彻底清洗 彻底水洗酸流痕（酸滴痕） 零部件的盲孔、沟槽等位置附近未染上颜色由于难以清洗的位置残留酸液，妨碍正常染色增加水清洗的效率；可能最好设法修改零部件设计未着色斑染色或电解着色发现一连串圆形或椭圆形无色透明的斑块由于截留空气泡或逸出的气泡使得着色染色困难首先分辨是否来自阳极氧化；增加工件倾斜度，使得气泡容易逸出可能是简单的办法续表 2颜色不均 电解着色后色调模糊深浅不均阳极氧化后水洗不充分、水质不好或时间太长；电解着色预浸时间不够；着色溶液质量或着色后的水洗问题调整阳极氧化和着色之后的水洗；检查着色溶液；延长着色的预浸时间色调发暗，没有光泽，发白 熔铸工序引起，尤其在均匀化处理时氢进入坯料 均匀化宜用间接炉