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浅析铝型材氧化

铝型材加工氧化工艺流程及工艺设计

 

第一章:铝业简史与介绍

 

一、

 

铝是自然界分布最广的六大金属之一,占地壳总重量的

7.56%

,比铁的含量约多

2/3

,我国铝资

源丰富,已查明贮量达

10

亿吨,但我国制铝业还是不够先进,人平铝占有量居世界倒数几位,我国现在已把

铝业作为重点发展项目,正有一批铝业基地在抓紧建设,进一步进入铝业高速发展时期。

 

二、

 

铝的化学性质与物理性质

 

铝为银白色而具有光泽的金属,其比重很小,约为

2.7

左右,熔点

660

℃,有相当高的导电性、导热性、

延展性和反射性,在干燥的空气中不生锈。如果在铝中加入其他的合金元素,经处理后可以取得更高的机械

强度,并且取得更有价值的性质。纯铝是相当软的金属,为了多方面的应用,必须于其中加入不同种类的合

金元素,以取得各种要求的性质,但最主要的目的是为提高强度和硬度,所以铝合金的发展日益重要。

 

铝的化学性质活泼,既能溶于酸,也能溶于碱,是典型的两性金属。它长时间暴露在外面,会形成一层

极密的氧化物薄膜,具有一定的保护作用。

 

就是因为它的化学性质很活泼,所以我们才利用这一性质,对它进行一系列的加工,使它的价值更大。

 

第二章、概述

 

整个铝型材加工的系统流程不是单一性的,是一系列的工序,连接不断才有铝型材成品的出现,要经过

以下工序:

 

1.

 

熔铸车间把运来的废铝、硅、镁等物质提入大炉,进行浓熔后,拨出各个系列不同的铝棒。

 

2.

 

在把不同规格的铝棒进行切割(按照技术要求)

,通过挤压机挤出型材。

 

3.

 

把挤出的成材运进时效炉进行人工时效,目的是为了增加强度。

 

4.

 

然后进入氧化系统进行化学表面处理。

 

第三章、氧化工艺流程

 

第一节:铝型材表面预处理的概述

 

无论用何种方法加工的铝制品,表面都不同程度地存在着污垢和缺陷,如灰尘、金属氧化物、残留油污、

手印、轻微的划擦伤等,因此,在氧化处理前,用化学和物理的方法对制品表现进行必要的清洗,使其裸露

纯净的金属基体,

以利氧化着色顺利进行,

从而获得与基体结合牢固、色泽和厚度都满足要求具有最佳耐蚀、

耐磨、耐候等等良好性能的人工膜,为此目的所进行的表面处理过程叫表面预处理。

 

其一般工艺是:

 

 

 

 

 

脱脂→水洗→碱蚀洗→一次水洗→二次水洗→中和→水洗

 

第二节铝型材的脱脂工艺流程

 

脱脂也叫除油,其目的是为除去制品表面的工艺润滑油、防锈油和与油粘合在一起的污物,以保障碱蚀

时表面能均匀腐蚀,保持碱蚀槽的清洗洁,提高铝制品的质量,油脂按化学性质可分为皂化油和非皂化油两

类。所有的动物、植物油均属皂化油,它们都能与苛性碱反应生成肥皂而脱离金属表面,反应如下:

 

C

3

H

5

(

C

17

H

35

COO

)

3

+3NaOH

→

3C

17

H

35

COONa+C

3

H

5

(OH)

3 

(

碱脂酸脂

) 

 

 

 

(苛性钠)

 

 

(肥皂)

 

 

 

 

(甘油)

 

第三节铝型材的酸蚀工艺流程

 

酸蚀过程是指工作物件经过除油清洁后必须进行的酸腐蚀处理,其目的是要将零件工作物表面的金属氧

化物(自然氧化膜、夹杂物)除去,以便露出基体金属表面。腐蚀之后,应立即用温水洗涤,水温不允许超

过

50

℃,否则工作物会产生流痕。然后再用流动清水仔细清洗,经腐蚀后的工作物表面常略暗,这是因为含

铜量较高的铝合金表面有铜氧化物的存在,形成黑色的挂灰。为了使工作物表面光亮,通常再在硝酸溶液中

进行光泽处理(用含

300

~

400g /L HNO

3

溶液室温下浸泡

3

~

5

分钟,去掉腐蚀产物)

。

 

第四节、铝型材的碱蚀工艺流程

 

碱蚀是建筑铝材氧化之前最重要的工序,碱蚀的目的是:除去脱脂后残存的自然氧化膜;碱性或酸性脱

脂溶解基体的残留物;深入基体表面层油脂等污物;除去型材表面的变质层;消除挤压留下的模具痕、划伤

及其他表面缺陷;调整和整平基体表面使其均匀一致。所以碱蚀工序对获得优质氧化膜具有决定意义,直接

影响铝型材成品外观质量。

 

碱蚀采用强碱性的热溶液,与铝表面发生如下反应:

 

Al

2

O

3

+2NaOH 

→

 

2NaAlO

2

+H

2

O 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

①

 

2Al+2NaOH+2H

2

O 

→

2NaAlO

2

+3H

2 

↑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

②

 

 

2 

反应①溶解残存的自然氧化膜,反应②是碱与铝基反应,其反应速度显著地受碱浓度和温度的影响,存于干

槽中的铝以偏铝酸钠形式存在,

当

Al

3+

积累达

35g/l

以上时,

碱蚀液就开始混浊,

即偏铝酸钠发生③式的水解

反应:

 

2NaAlO

2

+4H

2

O 

→

2Al

(

OH

)

3

↓

+2NaOH 

 

 

 

 

 

 

 

③

 

2NaAlO

2

+4H

2

O 

→

Al

2

O

3

+3H

2

O 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

反应③先生成

Al

(

OH

)

3

,

又是激发偏铝酸钠水解的活性中心

,

此反应是不可逆的。

Al

(

OH

)

3

进而脱水变

成

Al

2

O

3

硬水铝石,集结于槽底、槽壁和加热管上逐变成岩石般坚硬的厚垢层,使槽体有效体积缩小,加热

管导热能力显著降低,溶液粘度增大,对铝溶解力降低。大约每使用两个月左右就要停产清槽,不但影响生

产、费时费工,而且导致槽体破损,直接和间接造成的经济损失相当严重。

 

碱蚀工艺的影响因素有:

 

 

①氢氧化钠

 

 

 

②碱蚀剂

 

 

 

③温

 

度

 

 

④碱蚀时间

 

第五节、铝型材的中和工艺流程

 

中和是指经碱蚀后的铝制品表面附着一层碱液和“灰”

。

“灰”是不溶于碱性溶液的铜、锰、铁、硅等合

金元素或杂质,所以在氧化之前必须除去这层“灰”

,使之露出基体表面,同时中和铝表面的碱液。

 

对于一般工业纯铝和铝合金,采用

30

~

50%

体积比的硝酸溶液。对于高硅铝合金,铸造成合金,采用硝酸和

氢氟

1

:

3

体积比的混合酸。硅与氢与氢氟酸作用生成氟硅酸而离开铝表面。对于建筑用铝型材,因含硅、镁

量很少,而且不含铜、锰、铁等金属。所以经碱蚀后几乎无“灰”

,即无不溶性的金属残留物,过去型材生产

线上常用

30%

的硝酸作为中和除污液,现在大都改用氧化槽的废硫酸,这一方面充分利用了废氧化酸,另一

方面前后工序用同一种酸,防止了杂质带入氧化槽,这是一举两得的好办法。值得普遍推广,若铝型材含杂

质多,有“灰”

,亦可用硫酸混合酸。

 

第六节、铝型材的氧化工艺流程

 

阳极氧化是铝及其合金的表面处理方法之一,可以制得高品质的防护装饰和功能性膜。众所周知,铝的

阳极氧化膜具有较高的硬度、耐蚀性和耐磨性,为了提高氧化膜性能,往往需要得到厚而致密的氧化膜。低

温电解液和向的氧化电流密度下可以生成致密而硬度很高的氧化膜。硬度阳极氧化就是如此。

 

第七节、铝型材的封孔工艺流程

 

将阳极氧化生成的铝氧化膜孔隙加以闭塞,使之丧失吸附能力,从而提高膜厚防污染,抗腐蚀等性能的

处理过程通常称为封孔处理。封也处理按作用的原理有以下两种类型:情性物质封孔或是用能生成膜的液态

物质,钝化剂封孔,这是采用钝化。

 

例如表所示:

 

水合封孔工艺条件

 

封孔方法

 

 

 

 

 

 

 

按

JISH9500

规定

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

最佳工艺

 

加压蒸汽

 

 

 

 

压力:

[

(

3

~

6

)±

0.5]

×

9.8

×

10

4

Pa 

 

 

 

 

 

[(4

~

5) 

±

0.5]

×

9.8

×

10

4

Pa 

时间:>

10min 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

~

30min 

沸纯水

 

 

 

 

 

 

温度:>

95

℃

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

>

95

℃

 

PH

:>

5.5(5

~

9) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

±

0.5 

时间:>

10min 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

~

30min 

第八节、铝型材的水洗过程

 

各道工序间的流动水清洗,目的在于彻底除去制品表面的残留液和可溶于水的反应产物,防止造成型材

的效果和品质。

 

 

第四章、氧化工艺流程示意简图

 

↓

 

表面处理

 

↓

 

上排

 

↓

 

除油(脱脂)

 

↓

 

3 

水洗

 

↓

 

 

 

↓

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

↓

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

水洗

 

 

水洗

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

↑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

↑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

↓

 

中和

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

↓

 

水洗

 

↓

 

氧化

 

↓

 

水洗

 

↓

 

封孔

 

↓

 

水洗

 

↓

 

干燥

 

↓

 

下排

 

第五章、铝型材硫酸阳极氧化的工艺设计

 

硫酸法直流阳极氧化是最广泛使用的铝的阳极氧化方法。它的阳极氧化膜无色透明,可以接受各种别的

处理。封孔性能较好,可以作耐蚀防护层。成本较低,操作方便,可以得到较厚的氧化膜,满足各种样的性

能要求。

 

硫酸阳极氧化常用

10-20%H

2

SO

4

为电解液,工作温度

15-20

℃,电流密度为

1-2.5A/dm

2

,

电解时间视膜厚

要求而定,一般在

20-60min

。电源以直流电最普遍,外加电压视电解液的电导性,温度和铝含量而异,一般

是

15-20V

,工艺参数对于膜的性能有明显影响,如表:

 

工艺操作条件对氧化膜和槽液性能的影响(硫酸法)

 

操作条件变化

 

极限厚度

 

硬度

 

耐蚀性

 

吸收性

 

多孔性

 

铝溶解性

 

电压

 

温度上升

 

↓

 

↓

 

→

 

↑

 

↑

 

↑

 

↓

 

电流密度增加

 

↑

 

↑

 

→

 

↓

 

↓

 

↓

 

↑

 

时间减少

 

 ̄

 

↑

 

↓

 

↓

 

↑

 

↓

 

↑

 

浓度下降

 

↑

 

↑

 

→

 

↓

 

↓

 

↓

 

↑

 

使用交流电源

 

↓

 

↓

 

↓

 

↑

 

↑

 

↑

 

↓

 

合金均匀性增加

 

↑

 

↑

 

↓

 

↓

 

↓

 

↓

 

↑

 

加浸蚀性小电解质

 

↑

 

↑

 

→

 

↓

 

↓

 

↓

 

↑

 

注:

 

 

↑

= 

增加

 

 

 

 

↓

= 

降低

 

 

 

 

→

= 

通过最大值

 

第六章、提高铝型材阳极氧化质量和生产效率的途径

 

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

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处线辅照性能毕竟不如铝的

阳极氧化膜,作为永久性建筑的装饰,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。当前的近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

酸蚀洗

 

碱蚀洗

 

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4 

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。从而可以比较出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”状态下不应该有挞工料,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?这恐怕应该是从生产工

艺中各道工艺去考察和核查,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的关系。

 

A 

上料(排)

 

上料杆(也称挂料或导电杆)有双重作用,一是固定作用,二是导电作用。由于铝阳极氧化的上料杆是

铝基

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时发热而浪费电能,

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或降低槽液很快腐蚀,则相

当于正常碱洗

50-100

根型材的碱耗量。而在封孔槽中,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。

 

B

、脱脂和清洁

 

脱脂可除去表面浊污和脏物,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,表面没有重度油脂污染,因此国外多采用弱碱性脱脂剂,也有酸“脱脂”的。宜在脱脂前用有机溶剂

手工擦拭,以轻碱洗负担,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”和用氧化废酸大降低成本,但从严格上讲,硫酸只

能润湿整个表面,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间,获得比较有光泽的外观状态。

 

C

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。碱洗槽有两大类型。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,更适于生产返工料脱脂。

 

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,消除槽底泥浆,但是一般不需要全槽更换废弃。

 

碱蚀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。在发现铝型

材表面有碱洗斑时,应在操作变动工艺参数,

(如降低游离浓度、降低碱洗温度和尽快加入清洗槽等)予以清

除。在添加长寿命碱洗槽中,碱蚀速度较慢,从而减少铝耗和减耗,因此在处理返工脱脂的最好不用添加剂

的碱槽,我们从实践中建议阳极氧化生产线中设置两碱洗槽,有添加剂和碱蚀槽以适应不同需要。

 

D

除灰(酸洗)

 

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,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。

 

除灰溶液通常采用硫酸溶液或硝酸溶液,有人称此工序为酸洗或中和。

 

一般造成

150-180g/L H

2

SO

4

或~

20%HNO

3

。硫酸杨本低(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

HNO

、

HO

或

FED

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。

 

E

、阳极氧化

 

阳极氧化是一个可控电化学过程,仅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

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5 

着色。封孔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封孔的基础。

 

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:

 

硫酸浓度:酸浓度的偏差须保持在

5g/L

以内;铝含量维持在

8-12g/L

之间。

 

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±

1.5

℃之内。

 

阳极氧化添加剂:为了减轻阳极氧化膜在

HSO

4

中的溶解,使氧化膜更加致密,而铝在氧化槽中增加又

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。

 

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。

 

F

、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。

 

现在,冷封孔之后在

60

℃左右的去离子水中浸泡

5-10min

,可以明显地提高封孔质量,缩短冷封孔后的

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。

 

第八章、参考文献

 

参考文献一:阳极氧化技术资料

 

参考文献二:建筑铝型的阳极氧化

 

参考文献三:阳极氧化标准汇编

 




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