提高铝型材阳极氧化质量和生产效率的途径
提高铝型材阳极氧化质量和生产效率的途径
朱祖芳
（北京有色金属研究总院）
铝型材阳极氧化仍是我国当前占主导地位的铝材表面处理方法。尽管近年来国外在铝型材静电粉末喷涂方面发展极快，在欧洲已占据建筑铝型材表面处理市场的一半，对于阳极氧化构成了严重挑战。这是由于多色彩对于建筑业、装饰业及其设计师的巨大吸引力。但是，由于有机聚合物的耐紫外线辐照性能毕竟不如铝的阳极氧化膜，作为永久性建筑物的装饰，其户外的经久耐用性尚需进一步考察，而且也还在继续深入研制和开发之中。而且粉末喷涂层的成本（尤其在我国）还远高于阳极氧化膜，因此静电喷塑和电泳涂漆目前不可能取代阳极氧化。尤其在我国，10年来建筑铝型材阳极氧化生产发展很快，年生产能力已达50万吨。而产品质量和生产成本与国外先进水平比较，还有相当距离。当前的迫切需要应是降低消耗、提高质量、加强管理和增进效率，以获得最大的经济效益，这是我国铝型材阳极氧化生产的当务之急。
如何评价阳极氧化生产的开工效率？首先应该科学核算和明确提出本生产线在“最佳”和“理想”生产状态下的指标：水、电和气汽）的消耗；铝损耗值；各种化学药品（包括添加剂）的消耗量；人员配置和成品率等等。从而可以比较本厂当前真实情况与“理想”状态的差距，逐渐达到低成本，高质量和高效率，“理想”状态不应该有返工料，成品返工是高效益之大忌，由于不合格而返工的阳极氧化成本是正常不返工的3倍，而且返工料的表面很难令人满意。
膜的质量和外观是返工的原因，在正常生产条件下，为什么会出现质量问题呢？这恐怕应该从生产工艺中各道工序去考察和核查，要了解上一道工序的误操作对于下一道工序的有害影响以及对最终产品表面处理质量的影响。如有可能，应该对照和比较操作参数、损（消）耗量和质量水平三者之间关系，从中可以寻找出最佳状态和总结出主要问题及其原因。
诚然，铝型材本身质量是获得优良表面处理的基础，铝合金的冶金因素、合金成分控制、Mg/Si比、杂质含量控制、合金加工史等都对阳极氧化外观有明确的显著的影响。限于篇幅和内容，本文针对国内铝型材氧化着色的主要技术问题，有选择地着重介绍阳极氧化各工序的特定功用，参照国内外的生产经验和规范，对技术指标和操作要点作出说明。
1上料
上料杆（比称挂料杆或导电杆）有双重作用。一是固定作用，将铝型材固定在上料杆，从一个槽中转移到下一个槽子；二是导电作用，使电源与型材之间维持电接触。由于铝阳极氧化的上料杆是铝或6063(LD31)铝合金制成，它们和铝型材同时受到腐蚀，因而逐渐变细即截面积逐渐变小。生产上如不及时更换已变细的上料杆，会影响固定和导电作用，轻者由于上料杆太细造成通过电流对发热而浪费电能，也可能因上料杆棱角腐蚀导致电接触不良，重者造成型材脱落损坏槽子中管道等附属装置，甚至发生短路而损坏电源。再者脱落在槽内的铝型材，如不从槽中捞出，则增加化学药品消耗和降低槽液寿命。例如在碱洗槽中掉进一根铝型材被碱液很快腐蚀，则相当于正常碱洗50~100根型材的碱耗量。而在电解着色或封孔槽中．则由于腐蚀作用很快积累大量铝离子而缩短槽液使用寿命。
铝导体的截流能力一般定为130A/cm2，也就是说，如果电源最大输出电流是15.000A，则从电源输出后的铝汇流排或导电梁的横截面积应不小于1 15 cm2。如截面积太小，则导体发热增加电耗还会影响型材表面质量。
为了获得均匀氧化膜和适宜的电解着色速度、颜色均匀性和颜色深度，必须合理确定氧化的面积和着色的面积。诚然，必须首先考察氧化电源和着色电源的最大输出电流的能力，一般说来取阳极氧化电流密度不大于1.5 A/dm2，而着色电流密度不会大于0.7A/dm2。除了要考虑电源电流之外，国内一直忽视阳极氧化槽的阴极面积和电解着色槽中对电极面积，甚至在工程设计时也未引起足够重视。经验表明，在阳极氧化时。待氧化的挂料面积SA和阴极面积Sc之比应为：SA：Sc=(1～1.5)：1，即阳极面积应相当于或1.5倍于阴极面积之间。而在电解着色时，着色型材面积S1应小于对电极面积S2，即．S1≤S2，一般以S1：S2=1：1.5为佳，因此，增加挂料面积必须提高氧化槽的阴极面积和着色槽的对电极面积，其有效途径是增设中心电极并将平板电极改变为凹凸板电极，以此来提高生产效率。对于槽长为7.5m和槽液高为2.5m为例，槽侧电极面积总和约为35m2，如不设中心电极，则阳极氧化料的挂料面积不能大于56m2，着色料不能大于35m2，最佳挂料面积为26m2。在加设中心电极之后，阳极氧化料可达112m2（实际挂料当然不能超过电源输出电流），着色料达52m2。由上例可见，为提高生产效率，加大每挂料面积是行之有效的，但除了受电源没备的能力制约之外，就氧化和着色膜质量而言，必须增加阴极和对电极面积。
国内外生产实践经验表明，绑料应注意以下几点：(1)挂料杆应在两组对电极中间（阳极氧化对此不很严格）：(2)挂料杆的棱面与型材表面接触以保持良好电接触；(3)挂料杆要定期检查更新，腐蚀过细时不宜使用；(4)所有导电的接触面都要保持清洁和导电良好；(5)同一挂料应绑相同牌号铝合金并尽量绑上同一种型材；(6)型材之间在料杆上保持均匀间隔，间隔距离可接近型材的纵深宽度。
2脱脂和清洁
脱脂可除去表面油污和脏物，铝型材系无润滑挤压，表面没有重度油脂污染，因此国外多采用弱碱性脱脂剂，也有用酸“脱脂”的，国内目前大多应用硫酸溶液，效果显然不如脱脂剂。在局部油沾染或手印时，酸溶液不能去除。宜在脱脂前用有机溶剂手工擦拭，以减轻碱洗负担，降低碱耗和铝损耗。
脱脂的重要性在于高质量碱洗的前提。硫酸“脱脂”利用氧化废酸，大大降低成本。但从严格意义上讲，硫酸只能润湿整个型材表面，使氧化膜和脏物疏松，以利于在碱洗过程中更有效地脱脂并均匀地去除氧化膜。在采用脱脂剂时，可以减少碱洗时问，获得比较有光泽的外观状态。
3碱洗
碱洗可以得到均匀和消光的无氧化膜型材表面，使铝有令人满意的外观。碱洗糟有两大类型。现在常用的是加入所谓“长寿命碱液添加剂”，使碱洗槽中铝含量高时不会发生沉淀，同时得到无光的铝型材外观。另一类碱洗槽不加添加剂，称为回收型碱洗系统。利用碱洗槽外的系统沉淀回收氢氧化铝而降低槽内铝含量，它的碱洗速度快，表面外观光泽较好，更适于生产着色材和返工料的脱膜。
为了获得均匀一致的表面状态，必须时时维护好碱洗槽，碱浓度。铝含量、添加剂浓度和碱洗温度应有效加以控制，碱洗槽视槽液情况定期清理，清除槽底泥浆。但是一般不需要全槽更换废弃。
碱洗不当容易产生碱洗流痕斑。这是由于碱液浓度或碱洗温度过高，而天车运行速度较慢，在转移到清洗槽过程中型材表面碱液蒸干造成的腐蚀斑痕。在发现铝型材表面有碱洗斑时，应在操作上变动工艺参数（如降低游离碱浓度、降低碱洗温度和尽快进入清洗糟等）予以消除，在添加长寿命碱洗剂的碱洗槽中，碱蚀速度较慢，从而减少铝耗和碱耗。因此在处理返工脱膜时最好不用添加剂的碱槽，我们从实践中建议阳极氧化生产线中设置两个碱洗槽，有添加剂和没有添加剂的碱洗槽以适应不同需要。
4除灰
碱洗过程中铝合金的合金化元素和杂质会生成不溶于碱溶液的灰褐色（视化合物而异）的化合物附着在型材表面，除灰溶液可以除去附着在型材表面挂灰面还其铝型材的本色，所以也称出光。除灰溶液通常采用硫酸或硝酸溶液，有人称此工序为酸洗或中和。我国一般选用150～180g/L H2S04或～20%HNO3。硫酸成本低(可用废氧化槽液）、操作方便，但除灰效果不如硝酸。因此有时可在硫酸溶液中加入添加剂，它们多为氧化性物质，如HNO3、H2O2或FeCl3等。型材在酸溶液中不宜时间过长，否则会发生酸腐蚀，还可能形成不溶于酸的腐蚀产物，起不到真正的除灰效果。
酸溶液浓度太低会降低除灰效果，浓度偏低是由于碱液带入造成中和作用，清洗水带入造成稀释作用，正常使用消耗和型材落入槽底造成过度消耗等。因此生产实践中并不罕见，必须经常定期分析调整。除灰不充分，污斑留在型材表面，有可能在封孔后的最终产品表面上反映出来。
5阳极氧化
阳极氧化是一个可控电化学过程，使铝表面氧化形成多孔性氧化膜，其多孔性氧化膜可进行染色和电解着色。孔封闭之后可以对于铝合金基体提供有效的保护，多孔性氧化膜无疑是电解着色和封孔的基础。
应该指出，电解着色过程与多孔性阳极氧化膜的阻挡层厚度和性质有关，而阻挡层厚度决定于阳极氧化时的外加电压。封孔质量与多孔层中孔径大小和孔的形状密切相关。因此在发现着色和封孔异常时，除了应该核查着色和封孔工艺之外，首先应该注意考虑阳极氧化膜的特性，因此必然要去核查阳极氧化的工艺。
在阳极氧化过程中，电流密度和时间决定了氧化膜厚度，外加电压控制了膜的结构，如阻挡层厚度、结构单元的尺寸、孔径和壁厚等。阳极氧化工艺参数的控制是保持阳极氧化膜一致性的前提。阳极氧化膜的特征和优劣不是用肉眼可以判别的，因此只能依靠严格控制阳极氧化工艺来实现。现介绍国外的规范和经验供参考。
(A)硫酸浓度：酸浓度的偏差须保持在士5g/L以内；铝含量维持在8~12g/L之间。我国目前尚未提出如此严格的规范。
(B)槽液温度：温度波动比其它参数波动对于阳极氧化膜一致性的影响大得多，温度波动与设定点温度的偏差宜在±l.5℃之内。
(C)阳极氧化添加剂：为了减轻阳极氧化膜在H2S04中的溶解，使氧化膜更加致密，而铝在氧化槽液中增加又不至于太快，也可以在较高温度和电流密度下形成理想的氧化膜，国外开发并开始应用了阳极氧化的添加剂。但我国尚未使用。
(D)电接触：由于阳极氧化槽液系强酸介质．电接触部位易受腐蚀而导致接触不良，电流分布不均，造成阳极氧化膜不均匀。阳极氧化的问题会在着色或封孔后反映出来。如果阳极氧化处理不当，电解着色就会失败。
阳极氧化膜的常见缺陷及其原因是，(A)烧损斑痕：电流密度太大；电接触不良电源升压太快。(B)氧化膜厚度不匀：阴极已腐蚀；电源升压太快；挂料面积太大；挂料不均匀；阴极安排设计不当。(C)氧化膜点蚀：溶液污染(Cl-、NO3-、Na+)。(D)氧化膜软：电流密度低；槽温太高。
6电解着色
电解着色是建筑铝型材最常用的着色方法。国内外一般均采用Sn盐或Sn-Ni混合盐。纯Ni盐电解着色应用不太广泛。阳极氧化膜的厚度和孔结构与着色速度和颜色均匀性有关。因此假若阳极氧化膜生成不佳，颜色均匀性和色泽稳定性（与封孔有关系）就差。大多数电解着色的问题起源于阳极氧化，这在工业生产上容易忽视而又必须充分注意。电解着色本身的问题可以从槽液化学成分、温度和电源诸方面的控制来解决。电解着色的某些技术问题
及可能的原因列于表1。由于着色型材的缺陷十分直观，常常成为用户拒收和生产返工的直接原因。
7封孔
封孔是铝型材阳极氧化处理的最后一道工序，也是决定使用寿命的最关键而又一度被忽视的工艺。铝阳极氧化膜有三种封孔方法：(1)热水封孔，(2)醋酸镍中温水封孔，(3)冷封孔。冷封孔中以氟化镍为主体的冷封孔添加剂是当前国内外广泛采用的工业化方法。其它冷封孔方法已在工业化过程中逐渐淘汰和否定。冷封孔槽必须仔细控制以达到预期结果。PH、Ni2+和F-离子的浓度，温度和时间都是封孔质量控制的重要参数。从添加剂质量水平而言，
表l 电解着色存在的主要问题及其原因
问题和缺陷 原因分析
1．着色太慢 1．硫酸、硫酸亚锡或添加剂的浓度太低
2．着色电压太低
3．电接触不良或电极已腐蚀
4．槽液温度太低
5.挂料面积太多
2.着色太快 1．化学成分的浓度太高
2．槽液温度太高
3．挂料面积太少
3．着深色困难和着黑色不可能 1.参见间题1
2.阳极氧化膜太薄，如小于8μm
1．端部色深或端部色浅 l.端部氧化膜厚度不同
2.着色电源的输出电压不对
3.着色电源的电压规程不好
5着色不匀或内表面色浅 1.氧化膜厚度和孔结构不匀
2.电压上升不当
3．绑料不佳和电接触不良
4对电极面积太小或挂料面积太多
5．槽液的添加剂不足
6•大面积颜色差别 电压上升太快（如不到30秒）
7小白（浅）点 气泡滞留型材表面局部位置所引起。如绑料斜度
不够，槽液酸度太高等
8.白(浅)斑（局部区域无规律非对称性发生） 1．脱脂不全
2．清洗（水漂洗或水淋洗）不够
3．酸中和（去灰）不充分
9.不同批次颜包差异 1．合金元素含量差别(尤其是Si和Fe)
2．电解着色工艺条件偏差(pH、槽液成分和时间等）
10．清洗或封孔后颜色变浅 1.清洗水酸性过高(pH偏低)
2．清洗时间过长
3．封孔液酸性强（如PH<5.5）
槽液本身pH的自动调整和F-的自动补充应是冷封孔技术先进性和添加剂高质量的标志。
封孔起灰是常见的缺陷，有人说不起灰就封不住孔，此话未免有些过分，但也不无道理。起灰是不希望的，因此总是力图从添加剂和工艺上消除起灰现象。实际上封孔起灰并不一定起因于封孔槽，氧化和着色都可能引起，需要根据起灰的色调和起灰在型材上；的位置具体分析。表2所示系常见封孔表面缺陷及其原因。
表2封孔表面缺陷及其原因
表面缺陷 原因
“白”粉（偏黄色调） 电解着色污染
“白”粉（偏绿色调） 镍封孔污染；镍封槽液pH过高；
镍封后清洗不够；冷封孔液面泡沫
白粉（全面产生，局部 封孔液PH值低而F-离子高，阳极氧化（温度高、浓度大、
电流大的位置更加突出） 局部电流大等）
彩虹，可擦掉（黑色） 除灰（酸洗中和）失效
彩虹，难擦掉 封孔时间过长，封孔后清洗水的PH值过低
新近工业实践和实验研究表明，冷封孔之后在60'C左右的去离子水中浸泡5~10min，可以明显提高封孔质量，缩短冷封孔后的陈化时间，而不仅仅是为了帮助冷封孔型材的干燥。因此，可以把热水洗准确地称为后处理水合作用。而热风干燥就不能起到同样的有利作用。
在阳极氧化的生产过程中，要充分理解各工序的特定功用，严格控制工艺参数，就可以避免出现缺陷和故障，降低消耗、保持质量、杜绝返工，把生产效率和经济效益提高到一个最佳水平。
