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鋁陽極氧化包括電解著色所生成的膜是多孔的(孔隙率約為5%~30%),這種多孔的膜層硬度低,耐磨性差,抗腐蝕性不良,容易被污染。已著色的膜如果…
鋁陽極氧化包括電解著色所生成的膜是多孔的(孔隙率約為5%~30%),這種多孔的膜層硬度低,耐磨性差,抗腐蝕性不良,容易被污染。已著色的膜如果不封孔,也很容易掉顏色。為了提高膜的性能,必須將多孔質層的孔隙封閉。通常封孔的方法有水合封孔、無機鹽溶液處理封孔和有機涂料封孔等。
(一)水合封孔處理
水合封孔就是將氧化膜處在高溫的情況下與水接觸,使其反應而生成水合氧化鋁,并發生體積膨脹使孔隙縮小而封閉。反應式如下:
Alz03+nHz0——,Al203·nH20
式中的卵等于l或3,若行=1,所生成的一水合氧化鋁~203·H20的密度小于原先的Alz0。,故水合氧化鋁的體積增大約33%,而,2—3時,生成三水合氧化鋁Al203·Hz0,它的密度更小,體積則增大近100%。因此,膜孔便由于體積增大而被封閉(圖4-3)。這過程為吸熱反應,必須在80℃以上的溫度下進行。
封孔使用的介質有熱水或水蒸氣,熱水封孔在≥95℃的熱水或沸水中進行,也可以用蒸汽封孔。熱水封孔比較簡便,不需要燒鍋爐,水的pH值為6~7.5,封閉時間20~40min。
封孔用的水質要有嚴格的要求。因為普通的自來水中含有soi、Cl~、POi一等陰離子,會降低膜層的耐蝕性。水中若有Ca抖、M92+等金屬離子,又將沉淀于膜的孔隙,影響氧化膜的色澤或透明度。因此,封孔用的水應使用去離子水或者蒸餾水。
蒸汽封孔必須在密閉的容器中進行,用管道與鍋爐連接,蒸汽的壓力控制在0.1~0.3MPa,溫度約l00~115℃,時間20~30min??偟膩碚f,蒸汽封孔的質量比熱水封孔好,而且著色膜不會流色,但是設備復雜,投資大,生產成本高。一般應根據產品要求而選定,質量要求高,產品價格貴的應選用蒸汽封閉,而普通的產品則用熱水封。
(二)無機鹽溶液封孔
無機鹽封孔就是用無機鹽的水溶液在加熱的狀態下浸泡鋁工件,進行封孔處理,操作方法與熱水封孔相似,但它的封孔原理除了水合作用之外,還有封孔液中的無機鹽在膜孔中水解而產生沉淀,填充了膜孔,所以這種封孔有雙重的效果。使用的無機鹽有重鉻酸鹽、鉬酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、醋酸鹽等。使用較多的是重鉻酸鹽、鉻酸鹽及水解鹽類。從環??紤],可使用鉬酸鹽、醋酸鹽等。無機鹽封孔又分重鉻鹽封孔、水解鹽封孔及無機鹽常溫封孔。
1.重鉻酸鹽封孔
將鋁工件放進含有重鉻酸鹽的高溫水溶液中浸漬,進行封孔處理。它有水合封孔和無機鹽填充的雙重封孔作用。構成氧化膜的氧化鋁與水作用生成水合氧化鋁的同時,還發生如下反應:
2A1203+3KzCrz07+5Hz0一2AI(OH)Cr040+2AI(OH)Cr207‘+6KOH
正是反應中所生成的一水合氧化鋁、三水合氧化鋁、堿式鉻酸鋁和堿式重鉻酸鋁一起將氧化膜的孔封閉。重鉻酸鹽封孔處理前,鋁工件的表面要徹底清洗干凈,不能將陽極氧化的酸液或氧化著色液帶進封孔液中,影響封孔的質量。由于重鉻酸鹽等對鋁工件有緩蝕作用,因此用此法生產的氧化膜其耐蝕性能提高,適用于以防護為目的的產品使用,但這種處理后,氧化膜的外觀呈淡黃色,故不適宜用在裝飾膜的封孔處理。當然如果喜歡用這種處理膜的顏色時,則用這種方法處理后的氧化膜既耐磨、耐蝕,又有一定的光澤及裝飾性能。
2.水解鹽封孔
水解鹽封孔就是將鋁工件放在接近中性的鹽溶液中加熱進行封孔處理。用這種方法處理一方面可以加速氧化膜的水合反應,處理溫度可以適當降低。另一方面由于水解鹽在膜中水解而填充了孔隙,同樣起到雙重封孔作用。以硫酸鎳為主鹽的封孔液在封孔處理時,
硫酸鎳在膜孔中水解生成氫氧化鎳沉淀而沉積在孔內,反應式如下:
NiS04+2H20鯊堡Ni(oH)20+H2S04
其他鹽類如鈷鹽也有類似的反應。水解鹽封孔溶液的配方及工藝條件見表4—12。在膜孔中生成的少量氫氧化鎳或氫氧化鈷幾乎不顯顏色,所以水解鹽封孔不會影響陽極氧化膜的色澤,對裝飾性膜的封孔也沒有影響。對于用有機染料吸附著色的工件,這些氫氧化物沉淀還可以與先前的有機染料發生反應,而生成金屬絡合物,從而增加了染料的穩定性、維持色澤的固定。因此,對著色膜的處理特別有利。
3.常溫封孔工藝
常溫封孔就是在室溫或略高于室溫的條件下,在特定的封孔溶液中進行封孔處理的工藝。由于傳統的封閉工藝都是在加熱或高溫情況下進行的,操作環境惡劣,特別是用鉻酸鹽或醋酸鹽溶液時,氣味大,有毒,而且能耗大,環境污染嚴重。因此,常溫封閉受到了歡迎和吹捧。在常溫封閉液的許多專利配方中都含有鎳、鈷、鋅、鈦等金屬鹽類,特別是醋酸鎳、氟化鎳等用得較多,另外還有氟化物等。它的作用機理是由于有鎳、鈷等離子的加速,使在較低的溫度下水合作用仍能正常進行;在加速水合作用的同時,金屬離子還發生水解生成氫氧化物沉淀起填充封閉作用;封孔劑與膜孔內的一些微溶的鋁離子反應,生成了穩定的化學轉化膜,如Al—Si—O、A1一Zn-F等類型難熔化合物也起封孔作用。這種封閉方法等于是幾種封孔作用疊加,效果很明顯。
目前,常溫封閉劑成為一些單位的專用保密配方,主要成分是公開的,一些添加劑則很少公開,需要結合實際進行調配。市面上有一些已配制好的常溫封閉劑出售,多是一些專利配方,如GKC-F、NF-5等??砂凑f明書直接稀釋使用。
(三)鋁及鋁合金陽極氧化著色應用實例
珠江三角洲某鋁廠生產的鋁合金制品采用硫酸陽極氧化、亞錫鹽交流電解著色及常溫封閉的方法。其整個工藝流程如下:鋁工件一除油一溫水洗一堿蝕一溫水洗一冷水洗一中和(或出光)一水洗一陽極氧化j冷水洗一純水洗一交流電解著色一冷水洗一熱水洗一常溫鎳鹽封閉一水洗一干燥一成品。
1.
陽極氧化前處理 先在1609/L硫酸液中除油,水洗干凈后,在5%NaOH、60。C的溶液中浸蝕除膜3min,水洗干凈后,再在20%~30%的硝酸液中出光1~1.5min。
2.陽極氧化
鋁制件經硝酸出光后,經水洗進入陽極氧化槽中,浸在150~1809/L的硫酸溶液中進行陽極氧化,溶液溫度25~35。C,電流密度為l.O~1.5A/dm2,通電40~50min。
3.交流電解著色
氧化后的鋁制件在10~129/L
硫酸亞錫、12~159/L硫酸和10~129/L穩定劑的著色溶液中通交流電著色,電壓l2V,電流頻率50Hz,在常溫下通電2~3min,電壓和通電時間由所需的顏色所定。在本條件下得到古銅色。
4.常溫封閉工藝條件
醋酸鎳5~89/L溶液pH5.5~6.5氟化鈉1~1.59/L溶液溫度25~55℃表面活化劑0.3~O.59/L封閉時間
l0~15rain添加劑5.5~6.59/L
5.產品的耐蝕性能
(1)浸泡試驗將常溫封閉的產品試樣分別浸泡在5%鹽酸和10%氫氧化鈉溶液中,經兩個月(60天)的浸泡后取出,并沖洗干凈吹干。產品表面色澤無變化,也沒有腐蝕的痕跡,表明耐蝕性能良好和穩定。
(2)中性鹽霧試驗將常溫封閉的產品試樣放進YQ一250鹽霧試驗箱中,以24h為一周期,連續8h噴霧,間隙16h,控制溫度為25~30℃,經28天后取出觀察,產品試樣無變化,著色及封閉質量良好。
(四)有機涂料封孔
鋁和鋁合金工件經陽極氧化或陽極氧化后著色的都可以采用有機涂料涂覆進行封孔,封孔的有機物有透明漆、各種樹脂、熔融石蠟、干性油等,目前使用較多的是靜電噴漆、粉末涂料或電泳上漆,這樣所得的膜層質量好,色澤范圍廣,漆膜致密,硬度高,耐磨、耐蝕性、絕緣性很好,而且光亮逗人喜愛,有機涂料處理一般有下列情況。
1.對陽極氧化但未著色的制件,可以用靜電噴涂各種色澤的固體粉末涂料,以獲得各種顏色的制品;或者用電泳上漆的方法,表面鍍上各種色澤的涂料。
2.對于陽極氧化并電解著色或染色的制件,可以用透明清漆浸漬或噴涂封孔,也可以用石蠟、干性油等封孔。