铝合金阳极氧化着黑色工艺的研究

铝合金阳极氧化着黑色工艺的研究

郝建军，牟世辉，赵平，孟晓毅

(沈阳工业学院专科学校，沈阳110045)

摘要:  针对铝合金阳极氧化和电解着色的工艺及其影响因素进行了研究，从而找出了铝合金阳极氧化和电解着色的最佳工艺条件，实验表明，采用本工艺可以获得膜层厚度均匀、耐蚀性好、色泽光亮、色度较深的黑色阳极氧化色膜。

0  引言

  随着铝合金材料应用的发展，其表面处理技术已迅速地发展起来，铝合金在大气中能自然形成一层氧化膜，但氧化膜膜层薄且疏松多孔，为非晶态、不均匀、不连续的膜层，不能作为可靠的防护、装饰性膜层。为提高铝合金的耐磨性、耐蚀性、反光性、绝缘性，常对其进行阳极氧化处理，经处理后获得的氧化膜厚度一般在5～20µm，其膜的性能有很大提高。为了更好地增强铝合金氧化膜的性能及装饰性，目前常采用着色的方法对氧化膜进行处理，其主要是向氧化膜的多孔结构内填充各种颜料，以提高铝合金制品的防护和装饰性能。

  黑色具有它独特的装饰、耐蚀、耐磨等性能，但着色膜外观的色度、均匀性和耐晒性等方面，都不尽人意。为改善铝合金电解着色膜的性能，我们对其工艺进行了研究。

1实验方法

  实验材料采用LY60铝合金，实验试剂的纯度均为化学纯以上，溶液用蒸馏水配制，溶液pH值用精密试纸测定。

1.1实验工艺流程

  砂布打磨→流水洗→除油（金属洗涤剂10%）→两次流水洗→化学抛光(H₃PO₄ 70%，浓HNO₃ 9%，浓H₂SO₄ 21%，(NH₄)₂SO₄ 5g，110～115℃，3～6 min) →两次流水洗→硫酸阳极氧化→两次蒸馏水洗→交流电解着色→两次蒸馏水洗→封闭→两次流水洗→吹干。

  1)硫酸阳极氧化

  其工艺规范为：电流密度1.3～2 A/dm²，电压13～15 V，温度16～20℃，时间40～50min。

  2)交流电解着色

  其工艺规范为：温度15～20℃，交流电压10～14 V，时间10 min。

  3)封闭

  着色后的试片放入蒸馏水中煮沸30min即可。

1.2实验仪器与线路

  交流电解着色的实验线路如图1所示，采用控制交流电压的工作方式，即调节自耦变压器至所需交流电压值，对经硫酸阳极氧化后的试片进行着色，工作电流与槽电压分别用交流电流表、电压表进行测量。

1.3评价方法

  考虑铝合金阳极氧化与电解着色目的，主要从膜层的厚度、耐蚀性、色泽等方面评价。

  1)厚度：采用MINITEST 600B型非磁性测厚仪。

  2)耐蚀性：采用快速的原电池法评定，将试片和石墨电极组成原电池（电解液为5%NaOH溶液），由于着色膜不导电，所以在短时间内无电流产生。当着色膜溶解而穿孔时，两极间立即产生电流，随着时间延长，电流逐渐加大，直至着色膜完全溶解为止，此时电流维持恒定，这段时间称为完全溶解时间，时间越长，耐蚀性越高，反之亦然。

  3)色泽：采用对比法进行评定。

2结果与讨论

2.1阳极氧化工艺及配方

硫酸    165g/L    电压    13～15 V

硫酸铝    5g/L    温度    16～20°C

电流密度  1.3～2 A/dm²    时间  40～50 min

2.2阳极氧化的影响因素

  1) Al³⁺的影响

  开始时如没有Al³⁺，则氧化膜比较薄，而且氧化速度慢，随着阳极氧化的进行，Al³⁺浓度增加，Al³⁺浓度如果大于20 g/L，则氧化膜耐磨性、耐蚀性下降，氧化液老化，一般新配氧化液中加入5 g/L的Al₂(SO₄)₃较好。

  2)硫酸浓度的影响

  氧化膜成长速度与电解液中硫酸浓度有密切关系，用稀硫酸溶液进行氧化时，膜的成长速度较小，所得氧化膜孔隙率低，反光性好，宜着浅色，用浓度较高的硫酸溶液进行氧化时，氧化膜的成长速度较大，所得氧化膜的孔隙率高，易着深色，但膜的硬度、耐磨性较差。实验中硫酸溶液的浓度为150～200 g/L效果较佳。

  3)温度

  电解液温度的变化对氧化膜影响很大，温度升高，氧化膜的溶解速度加大，膜的生长速度减小，氧化膜的厚度减小，如图2所示。同时，温度的变化对氧化膜耐磨性也会产生严重的影响，如图3所示。

  实验中温度控制在16～18℃，获得的氧化膜各项性能较好。

  4)电压与电流密度

  氧化时的初始电压对氧化膜的结构影响很大，电压较高，所得氧化膜的孔径增大，孔隙率减小；电压过高，使铝制件的棱角边缘处易被严重击穿，且电流也会过大，致使膜层十分粗糙，因此阳极氧化开始时，电压应逐步升高，在氧化过程中，电压波动只允许1～2 V。

  在一定限度内，提高阳极氧化的电流密度，可以加速氧化膜的成长速度，但达到阳极电流密度极限值后，氧化膜的成长速度将趋于停止，这时在高电流密度作用下，氧化膜孔内热效应加大，促使氧化膜溶解加速。通常，随着电流密度的增加，氧化膜的孔隙率亦增大，易着色，其硬度与耐磨性提高；电流密度减小，膜的生长速度减小，膜层较致密，其硬度和耐磨性也相应下降。

  实验中，LY60铝合金试片电压控制在14～15 V，电流密度控制在1.3～2 A/dm²较好。

  5)时间的影响

  阳极电流密度恒定时，氧化膜的成长速度与时间成正比。开始氧化的1h内，成膜速度较快，随时间延长，膜的成长速度逐渐减缓，氧化膜表面易溶解，孔径变大，膜层逐渐变粗糙，硬度降低，实验中采用40～50 min，膜厚可达14～16µm。

  6)杂质的影响

  对阳极氧化影响最大的杂质是Cl^-、F^-和Al³⁺，若Cl^-过量，膜层则粗糙疏松，甚至局部腐蚀，严重时制件穿孔，Al³⁺等杂质含量高时，则影响氧化膜色泽、透明度和抗蚀性，在Cl^-<0.05 g/L，F^-<0.01 g/L，Al³⁺< 20 g/L时，杂质影响最小。

2.3电解着色工艺及配方

H₂SO₄(1.84 g/cm³)    15 g/L    硫脲        20 g/L

    硫酸亚锡           15 g/L    温度        15～20℃

    硫酸镍             40 g/L    交流电压    10～14 V

    柠檬酸              6 g/L    时间        10 min

2.4电解着色的影响因素

  1)温度的影响

  温度与着色速度有很大的关系，在10～30℃之间，可获得青铜系列及黑色系列，随温度升高，反应速度加快，15～22℃之间可获得黑色系列，温度大于23℃时反应很快，则不易获得黑色，实验中控制在17～19 0C之间。

  2)电压的影响

  交流电解着色时，电压应逐步升高，升压速度过快，则发生氧化膜剥落，电压大于8V时，反应开始，但反应速度较慢，在8～15 V之间逐步升高电压，反应速度逐步加快，若电压大于16 V，出现古铜色，若电压再高，则氧化膜剥落，实验中电压采用12 V得到很好的效果。

  3)时间的影响

  交流电解着色，时间不同，可获得不同色度的着色膜，开始1～3 min，获得浅青铜色，到7min时，获得黑色，对各种铝合金，着色时间是不同的，LY60在11 min时，效果较好。

  4)各种盐的影响

  锡盐采用硫酸亚锡，镍盐采用硫酸镍，其中锡盐是着色主盐，镍盐是辅助盐，两者共存时发生竞争还原，由共析形成的Sn-Ni合金，使着色膜耐蚀性优于单锡盐或单镍盐所形成的着色膜，实验中，镍盐浓度为40 g/L，硫酸亚锡浓度大于10 g/L，可获得满意效果。

  5)硫酸的影响

  硫酸是保持溶液稳定、防止锡盐水解和提高溶液电导的必要成分，当硫酸浓度不足时，锡盐发生水解：

    SnSO₄+ 2H₂O → Sn(OH)₂↓+H₂SO₄

    Sn(SO₄)₂+4H₂O → Sn(OH)₄↓+H₂SO₄

    Sn(OH)₄ → SnO₂+ 2H₂O

  硫酸浓度小于15 g/L时，随浓度升高，着色速度加快，浓度大于15 g/L后变化很小，实验中硫酸浓度保持在10～15 g/L可得到较好效果。

2.4封闭

  采用热水封闭，将着色后的试片放入蒸馏水中煮沸30 min即可。

3结束语

  综上所述，采用硫酸阳极氧化获得的氧化膜，其着色性好，用锡镍混合盐配制的着色液，可获得色膜光滑、均匀、耐蚀性均很好的阳极氧化着色膜。此工艺简单、成本低，可被广泛应用。