范先才 秦貴芬 劉桂宏

(1.佛山金蘭鋁廠有限公司，廣東 佛山高明 528513；2.貴州黎陽航空動力有限公司，貴州 黎陽 561102；3.南昌航空大學(xué) 材料學(xué)院，江西 南昌 330063)

鋁型材電泳鈦金色防褪色工藝

范先才1秦貴芬2劉桂宏3

(1.佛山金蘭鋁廠有限公司，廣東 佛山高明 528513；2.貴州黎陽航空動力有限公司，貴州 黎陽 561102；3.南昌航空大學(xué) 材料學(xué)院，江西 南昌 330063)

本文介紹了溫度、濃度、電壓等與鋁型材電泳鈦金色穩(wěn)定性相關(guān)的生產(chǎn)工藝參數(shù)，并運(yùn)用正交試驗(yàn)對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，找出了本廠使用鈦金劑A的最佳工藝參數(shù)。通過對這些工藝參數(shù)的進(jìn)一步討論，本文最后得出了氧化膜致密性下降引起鈦金色易褪色的結(jié)論。本文還介紹一些提高鈦金色型材質(zhì)量尤其是耐候性的經(jīng)驗(yàn)方法供大家參考。

鈦金色 褪色 老化試驗(yàn) 不對稱電源 致密性

1.前言

鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、輕工業(yè)、建材、電器、家具裝潢等各個領(lǐng)域。鋁合金原本的顏色較單一，不能滿足各種應(yīng)用中顏色多樣化的需求，因此有必要對鋁合金表面進(jìn)行著色處理。著色方法有很多種，化學(xué)著色法、電解著色法和粉末噴涂著色法。其中電解著色是通過在多孔型陽極氧化膜的微孔底部沉積非常細(xì)小的金屬和金屬氧化物顆粒，對光的散射效應(yīng)而獲得不同顏色[1]。目前，在鋁合金電解著色工藝中應(yīng)用較為廣泛的大致有三類。一是硫酸亞錫、硫酸鎳單鹽或雙鹽電解著色。這是一種從仿鋼色→香檳色→古銅色→黑色的色系。其次是亞硒酸鹽電解著色，色系為一種類似黃金的顏色，稱作鈦金色。最后一種是高錳酸鹽電解著色，色系為金黃色[2-3]。

在這三種著色方式中亞硒酸鹽著色的難度系數(shù)較大，主要存在的問題是上色困難，但顏色偏深后又無法通過水洗褪色，與硫酸亞錫著色完全不同，其次是在電泳烘烤中褪色變淺，式的生產(chǎn)上較難控制。更為糟糕的是在使用過程中也發(fā)現(xiàn)褪色，嚴(yán)重時顏色完全褪掉，造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。在生產(chǎn)或使用過程中卻始終存在褪色的問題，尤其電泳鈦金色。產(chǎn)生褪色的原因可能是氧化膜孔中的著色析出物在受熱或者太陽光中的紫外線照射下，物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而褪色。而正是由于這個原因?qū)е落X型材鈦金色的使用與推廣大受限制，尤其是電泳鈦金色型材[4]。如何能提高電泳鈦金色型材的耐候性則成為鋁型材氧化工作者急需解決的課題。經(jīng)多次試驗(yàn)，本文認(rèn)為鋁型材電解著色工序是在生產(chǎn)中影響電泳鈦金褪色的主要工序。而這個工序的幾個主要工藝參數(shù)值將對電泳鈦金色的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。

2.試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)材料成分如表1所示：

表1 6063(T5)成分表

材質(zhì)：6063-T5，韋氏硬度8-12度，相當(dāng)于抗拉強(qiáng)度160-230MPa。

試驗(yàn)設(shè)備如表2所示：

表2 試驗(yàn)設(shè)備

2.2 試驗(yàn)流程

除油→堿蝕→陽極氧化→電解著色→中溫封孔→熱水洗→電泳→固化。

氧化工藝參數(shù)如表3所示：

表3 陽極氧化工藝參數(shù)表

電解著色工藝參數(shù)如表4所示：

表4 電解著色工藝參數(shù)

經(jīng)陽極氧化后的鋁材進(jìn)行電解著色，可以提高裝飾效果和商品價值。 氧化膜的厚度、均勻性及結(jié)構(gòu)與電解著色速度和色差有直接關(guān)系[5]。 電解著色時金屬離子是在膜孔底部的阻擋層上還原沉積的。 由于金屬粒子受光的散射作用而顯色。 欲在阻擋層上沉積金屬，關(guān)鍵在于活化阻擋層。 所以要使用交流電的極性變化來提高其化學(xué)反應(yīng)活性。 又由于阻擋層具有整流作用，將交流電變成了直流電，故鋁一側(cè)電流的負(fù)成分占主導(dǎo)，進(jìn)入膜孔內(nèi)的金屬離子被還原析出[6]。

經(jīng)過初步篩選我們確定以著色液溫度、鈦金劑A濃度、著色電壓為鈦金色型材著色環(huán)節(jié)的主要工藝參數(shù)，并對每一參數(shù)選取三個不同的水平，如表4所示；以氧化膜10μm的鋁型材為樣板，通過正交實(shí)驗(yàn)著色后再電泳(復(fù)合膜達(dá)到國家B級標(biāo)準(zhǔn))，制備樣品后再進(jìn)行100小時紫外燈照射老化試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示：

表5 不同水平的工藝參數(shù)

表6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

由表6可知，被選定的三個工藝參數(shù)在不同水平下對鈦金色的穩(wěn)定性都起到較大影響。當(dāng)溫度因素選水平2，濃度因素選水平3，電壓因素選水平1時樣品呈現(xiàn)最好的試驗(yàn)結(jié)果。

另外著色時間短的樣品普遍比時間長的試驗(yàn)結(jié)果要好，所以使用鈦金劑A選用的最佳工藝參數(shù)是：溫度35±2℃、鈦金劑A濃度6g/L(可適當(dāng)調(diào)整鈦金劑A濃度，務(wù)必控制著色時間在10分鐘以內(nèi))、電壓13V。

3.討論

3.1 著色機(jī)理的探討

關(guān)于鋁型材電解著色機(jī)理的論述較多，目前大家普遍傾向于這種說法：在陽極氧化多孔性膜的底部，都存在一層0.01～0.05μm的阻擋層，此阻擋層是電阻很大的離子導(dǎo)體和電子導(dǎo)體。在進(jìn)行電解著色時，金屬離子由溶液中向多孔膜的底部移動，其推動力是電場的電泳力和化學(xué)位的擴(kuò)散力。著色時的電壓一般低于陽極氧化時的電壓，著色電壓的大部分消耗于阻擋層的歐姆電壓降，所以在多孔膜孔的兩端幾乎沒有電位差[7]，因此金屬離子主要靠擴(kuò)散進(jìn)入微孔內(nèi)，阻擋層上電子的傳導(dǎo)引起了金屬離子或金屬含氧酸根離子的還原。還原析出物在孔底以膠?；蛭⒕У臓顟B(tài)析出，當(dāng)這些微粒的大小與可見光的波長相近時將發(fā)生光的選擇性吸收或散射，顯現(xiàn)出獨(dú)特的色彩。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，銀鹽電解著色的試片在500℃以上加熱處理和陽極化處理時均不變色；亞硒酸鹽電解著色試片在陽極化時顏色不變，在加熱處理時卻會退色。由此可知，銀鹽著色時的析出物是金屬狀態(tài)的銀，而亞硒酸電解著色時的析出物是氧化物[4]。

3.2 工藝參數(shù)的影響

①溫度：亞硒酸電解著色時的析出物是氧化物，在著色時與高錳酸鉀類似，在常溫下難以通過擴(kuò)散方式進(jìn)入氧化膜孔。在氧化后著色前用活化劑對氧化膜進(jìn)行擴(kuò)孔，但存在擴(kuò)孔不均勻、顏色重復(fù)性差以及封孔不合格的問題。本文采用升高著色槽液溫度的方法來達(dá)到增加離子擴(kuò)散動力克服位阻的目的。

但氧化膜在溫度高的酸性溶液中，氧化膜的致密性將下降。在實(shí)際生產(chǎn)中，著色液溫度控制在45-50℃時會出現(xiàn)氧化鈦金的氧化膜變松脆的情況，電泳鈦金更是大范圍褪色。通過大量反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定槽液溫度為35±2℃，這既能提高著色能力又能使氧化膜致密性不至于急劇下降的。

②鈦金劑A濃度：作為著色主鹽的鈦金劑A，濃度高低對著色起主要作用，因?yàn)橹挥形趸镌谀た字谐练e后氧化膜才能顯色。而且主鹽濃度越高，著色時間越短；反之，則時間長。通過正交試驗(yàn)可以得知，著色時間越短對防止電泳鈦金色褪色越有利。時間越短，氧化膜的致密性下降越少，從而影響電泳鈦金的耐候性。

著色時間過短，在生產(chǎn)控制上將造成不便；主鹽濃度過高，槽液帶出損耗加大，于成本不利。綜合考慮，將著色時間控制在10分鐘以內(nèi)時的濃度為宜。

③電壓：著色電壓太高會使上色速度變快，但會造成氧化膜脫落，所以著色電壓的大小是以不超過氧化電壓為準(zhǔn)。以亞硒酸著色和高錳酸鉀著色為例，它們的著色時間較長、槽液溫度高，電壓參數(shù)比錫鹽著色時更為敏感。錫鹽點(diǎn)解著黑色時，若時間長也會出現(xiàn)“爆膜”現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)證明：亞硒酸著色電壓在15V以上時就會出現(xiàn)氧化膜變脆甚至脫落的危險，電壓過低也會造成氧化膜無法著色，著色電壓確定為13V最為合適。

3.3 著色電源的優(yōu)化選擇

為使主鹽在低濃度下(比正常濃度降低約30%左右)也能達(dá)到快速著色的目的，建議著色電源使用交流正弦波不對稱電源。

其特點(diǎn)是可在著色主鹽處于中低濃度而且不改變其它條件的情況下縮短著色時間，目前已廣泛用于錫鹽著深顏色。原理主要是改變了電源輸出波形的正負(fù)半波長比例關(guān)系，使對著色起主要作用的負(fù)半波長時間加長，而沉積著色又主要發(fā)生在負(fù)半波長內(nèi)。通過改變正負(fù)波長比例，使得一個波長內(nèi)的有效著色時間大大增加，從而縮短整個著色過程時間，避免氧化膜致密性出現(xiàn)較大下降。

4.結(jié)論

通過對著色工藝參數(shù)的討論，本文發(fā)現(xiàn)引起電泳鈦金褪色的最終原因?qū)嶋H上是氧化膜的致密性下降，氧化鈦金經(jīng)過封孔后，致密性遠(yuǎn)大于電泳鈦金，所以電泳鈦金色比氧化鈦金色更容易褪色。

將封孔與不封孔的鈦金著色型材進(jìn)行加熱烘烤實(shí)驗(yàn)對比，就會發(fā)現(xiàn)未封孔的型材很快褪色，而封孔后的型材卻褪色較少。亞硒酸著鈦金色的確比錫鹽著色更容易褪色，但如果能采取恰當(dāng)?shù)墓に嚪乐寡趸ぶ旅苄韵陆?，那么將會在很大程度上降低電泳鈦金型材在短期?nèi)褪色的風(fēng)險。

可采用高濃度、中溫、低電壓以及使用不對稱電源等方法提高致密性，著色時間控制在10分鐘以內(nèi)，氧化膜致密性越好，著色時間越長氧化膜致密性越差，還會有“爆膜”的危險。

[1]周蕾玲，丁毅，馬立群.鋁合金電解著色技術(shù)[J].輕合金加工技術(shù).2008，36(6)：33-36.

[2]萬國仙，等.鋁及鋁合金電解著色(黃金系列)[J].電鍍與涂飾.1991，10(2)：28-31.

[3]劉婭莉，等.鋁型材陽極氧化電解著金黃色系研究[J].電鍍與精飾.2002，24(2)：5-8.

[4]鋁的陽極氧化和電解著色—II.金黃色電解著色技術(shù)[J].浙江工學(xué)院學(xué)報.1989，第1期：1-5.

[5]張海霞，等.鋁合金陽極氧化膜電解著色及功能膜應(yīng)用[J].全面腐蝕控制.2006，20(4)：10-13、15.

[6]鋁及鋁合金陽極氧化、著色及封閉的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]，電鍍與涂飾，2002，21(6)：30-32.

[7]朱祖芳．鋁合金陽極氧化與表面處理技術(shù)[M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004：118.

Discussion On Aluminum Profile Electrophoresis Titanium-golden Color Anti-fading Technology

FAN Xian-cai1QIN Gui-fen2LIU Gui-hong3

(1.FoshanJinLanAluminium.Co.，ltdGaomingDistrict，F(xiàn)oShanGuangDong528513；2.GuizhouLiyangAviationPowerCo.，ltd；GuizhouLiyang561102；3.SchoolofMaterialScienceandEngineeriong，NanchangHangKongUniversity，JiangxiNanchang330063)

This paper discusses several process parameters，including temperature，concentration and voltage，that were related to stable electric-deposition titanium-golden color on aluminum profile.An orthogonal test was carried out to optimize these parameters，and find out the optimal process parameters using titanium agent A.These parameters were further discussed，results show that the decrease of oxide film compactness causes fading of titanium-golden color.This paper also introduces some experiential methods of improving the quality and weathering resistance of aluminum profile with titanium-golden color.

titanium-golden Color；fade；aging-test；asymmetric-power；compactness