铝合金阳极氧化中清洁生产工艺的推广
铝合金阳极氧化中清洁生产工艺的推广
王元正
(南昌航空工业学院 330034)
摘要： 对铝合金普通阳极氧化工艺过程中一些有害、污染环境及耗能较大的工序，如浮油、碱蚀、出光、阳极氧化以及封闭等进行了详细的讨论，提出铝合金阳极氧化清洁生产新工艺。
1工艺过程
大多数铝合金阳极氧化工艺均要安排以下工艺过程：
除油→水洗→碱腐蚀→水洗→酸洗→水洗→阳极氧化→水洗→去离子水洗→封闭→水洗→干燥→检验→成品。
本文就以上工艺中带“*”号的主要工序进行讨论，解决清洁生产问题。
2结果与讨论
2.1除油
除油工序是全工艺的第一步，也是铝氧化膜质量优劣的第一道关。
零件表面油污的成分比较复杂，由动植物油、矿物油以及尘埃泥砂等组成，生产中用得较多的方法是用溶剂或碱液除去油垢。
有机溶剂除油分为有机烃和氯化烃两类，用得最多的有机烃是汽油和煤油，它主要用于油垢较多时的粗洗，因为它除油不够彻底，且这类溶剂气氛有一定毒性，闪点低、易燃烧、极不安全。氯化烃主要有三氯乙烯和四氯乙烯，氯代烃溶剂比较稳定，挥发性小，不易燃烧，除油效果较好，但毒性较大，且成本又高。
碱性除油使用历史较长，它主要靠氢氧化钠或磷酸钠、碳酸钠的水解产物除去皂化油，靠乳化剂除去矿物油，但这两种除油作用均需在较高温度下除油效果才好，常温下除油能力很差。
根据笔者的实践，建议在生产中使用含表面活性剂的水基清洗剂进行铝表面的除油，这类清洗剂的主要成分是表面活性剂、助溶剂和缓蚀剂，表面活性剂以非离子型和阴离子型使用最多，因它们具有良好的润湿、分散、乳化、增溶和洗涤作用，去油能力强，不易燃，无毒，克服了有机溶剂的缺点。选择适当型号的清洗剂又可以在常温下使用，节省能源，是代替碱液除油的一种很有发展前途的除油方法，如可选用105清洗剂、771清洗剂、8820清洗剂，通常用量为20g/L，添加也极为方便。
2.2碱浸蚀
浸蚀的目的是除去铝表面的自然氯化膜，使其成为活性表面，同时可以起进一步除油的作用，常用工艺为：
磷酸三钠 20～30 g/L
氢氧化钠 20～35 g/L
温度 40～55℃
时间 0. 5～3 min
此类溶液一方面对铝的溶解能力较强(每min约可腐蚀铝3～5µm)，易使铝表面产生过腐蚀；另一方面，溶液中Al3+的允许量较低（小于50 g/L），溶液更换周期较短，而且也容易产生不均匀腐蚀，建议在常用的碱蚀溶液中添加少量D-山梨醇、柠檬酸钠或葡萄糖酸钠等铝离子的络合剂，可使腐蚀液中的Al3+的允许量提高到140 g/L而不结块，易清槽、腐蚀均匀，这样既可以提高铝表面质量，又能使槽液使用寿命大大提高，废液在生产中只需添加少量氢氧化钠以补充铝材带出和氢氧化铝粘附的碱液损失，就可以使废液再生，这称为拜尔再生法，此法可节约氢氧化钠80%，减少环境污染，副产品氢氧化铝易于脱水和出售。
2.3酸洗
酸洗的目的是除去碱蚀后残留在铝表面上的黑色挂灰，同时可中和碱液，防止其污染阳极化电解液，经酸洗的铝表面光亮、均匀、故又称为出光处理，
铝表面酸洗常用硝酸或硫酸溶液，硝酸能溶解铝合金中Cu、Fe、Mg等难溶杂质，也能除去黑色挂灰，但硝酸易挥发，污染环境，对于不含Cu的铝合金，特别是LD31挤压建材铝合金，可用硫酸代替硝酸，这样可以减少生产现场的污染，同时溶液的管理也简单，对阳极化槽的溶液成分影响较小，它的工艺条件为：
硫酸(比重1. 84) 100～250 g/L
温度 室温
时间 3～6 min
2.4阳极氯化
阳极氧化工序是整个工艺的核心步骤，是氧化膜质量优劣的关键，生产中使用最多的是普通硫酸阳极氧化，它的工艺条件为：
硫酸(比重1. 84) 18%～20%
温度 13～26℃
阳极电流密度 0. 8%～2.5 A/dm2
电压 13～22V
时间 20～40 min
该工艺维护方便，槽电压低，可获得厚度为5～20µm的吸附性好、透明度高的氧化膜层，受到广泛的重视，但是该法允许温度较低，只26°C，超过该温度阳极氧化易使膜层起粉而降低质量，对于南方各地炎热的夏天，气温可达40℃左右，加上铝材在阳极氧化过程中的反应热和焦耳热更使槽液温度上升，因此必需安装冷冻设备才能维护正常的生产，这样就大大增加了能源消耗。
建议从两方面解决以上问题，一是改变电解液成分，二是改变冷却方法。
经试验研究，发现在以硫酸为主的电解液中，加入具有活性的羟基酸后，可明显提高电解液的使用温度范围，同时可避免零件“边角张裂”，常用的羟基羧酸有草酸、柠檬酸、洒入酸、乳酸、苹果酸、磺基水阳酸等。
在硫酸电解液中添加具有α活性的羟基羧酸后为什么能避免“烧焦”现象和提高阳极氧化允许温度呢？这可能是由于羟基羧酸的溶解和氧化过程中有吸热作用，即羟基羧酸参与这些过程和反应需消耗能量，而它们又易在电极的活泼区域也就是电流集中处易被吸附和参与反应，铝合金中的强化相，如金属化合物CuAl2就是电流集中的区域，羟基羧酸就容易在该处吸附面使CuAl2表面热量降低，从而克服“烧焦”现象，阳极氧化允许温度明显提高，如南昌航空工业学院研制的工艺就可以在40℃下进行阳极氧化而不起粉，该工艺已在很多工厂使用，效果极佳，解决了很多工厂的一大难题，具体工艺参数如下：
硫酸 140～160 g/L
NF-2 15～30 g/L
NF-3 40～60 g/L
温度 15～40℃
阳极电流密度 1～2.5 A/dm2
时间 20～40 min
虽然用以上工艺在40℃时铝阳极氧化膜仍不会起粉，但夏天生产时还是应该有冷却装置，否则槽液温度很快就会超过40℃而不能继续生产，简便的解决办法是在生产线中安排两只同样的阳极氧化槽，轮流交替使用，同时将槽子做成带夹套的槽，夹套中可引入地下水进行冷却，效果甚佳，从夹套中流出的水可流入清洗槽使用，这样有效地解决了阳极化槽液的冷却同题，可控制槽液温度在300℃左右而不上升，另外还大大节约了能源，该法在某无线电厂的阳极氧化生产线中使用已近20年，效果很好。
2.5封闭
铝阳极氧化膜的封闭工序历来是能源消耗较大的工序，无论是沸水封闭，重铬酸盐封闭还是近几年发展起来的水解盐封闭，均要消耗大量的热能，严重污染生产环境，同时高温封闭易在铝表面形成挂灰（俗称白霜），影响氧化膜质量。
从50年代起就有氧化膜的低温封闭专利和文章发表了。70年代末又发现金属氟化物对封闭的特殊作用，目前国外在生产中应用效果较好的有英国的Aard Wall 3方法。我国从80年代开始对低温封闭进行了详细的研究，也有很多文章发表，有些也已用于生产，笔者对低温封闭也进行了研究，并已将结果发表，笔者推荐的方法成极为简单，维护方便，很有推广价值。
从以上讨论可知，在铝合金阳极氧化工艺中存在很多有害、污染环境和大量消耗能源的工序，若按主要工序讨论中所建议的新工艺或方法进行改进，一个无污染、节能的清洁生产工艺将呈现在你面前。
