鋁及鋁合金卷材的氧化

張翼鵬 （廣州漢氟萊化工有限公司 廣東 廣州510000）

1 鋁及鋁合金卷材氧化概述

鋁及鋁合金卷材氧化是由單片鋁陽極氧化發(fā)展起來的，和其它金屬卷材一樣，其氧化產(chǎn)品的生產(chǎn)歷史已有近30年。1972年，在比利時制造出第一臺金屬卷陽極氧化單面處理自動化流水線機組，隨后相繼在德國、意大利、英國、中國出現(xiàn)。到2011年鋁卷材氧化生產(chǎn)線已超過10條。產(chǎn)能也已超過10萬噸。

中國在20世紀90年代末開始引進國外氧化產(chǎn)品應用在外墻裝修。最早應用是上海希爾頓酒店。本世紀初在廣東、浙江，上海等地開始研制鋁卷材陽極氧化氧化生產(chǎn)線，經(jīng)過近10年的努力現(xiàn)在已基本成熟，已有多條鋁卷材雙面陽極氧化生產(chǎn)線，但單面陽極氧化線極少，故陽極氧化膜厚度多在8微米以下。由于各廠的技術力量、研究方向不同，生產(chǎn)的產(chǎn)品各有千秋。因此國內(nèi)還沒有一家綜合性能很高的鋁卷材陽極氧化生產(chǎn)廠家。

1.1 鋁及鋁合金卷材氧化的目的

鋁及鋁合金卷材陽極氧化的目的在于通過氧化方法，使鋁卷材表面形成牢固的連續(xù)氧化膜而發(fā)揮其裝飾、防護和特殊功能等作用。

1.2 鋁及鋁合金卷材氧化的原理

鋁及鋁合金卷材氧化的生產(chǎn)是在連續(xù)氧化生產(chǎn)線上，經(jīng)過前處理、氧化、著色、封孔等工序在鋁卷材表面形成均勻的氧化膜。

鋁及鋁合金卷材經(jīng)過陽極氧化處理后，氧化膜對鋁板的防護作用集中反映在產(chǎn)品的耐腐蝕性能和耐候性能有了顯著提高。氧化膜耐候性極強，10微米氧化膜可出具15年，15微米氧化膜可出具20年的質(zhì)量保證。

1.3 鋁及鋁合金卷材氧化的發(fā)展方向

隨著經(jīng)濟建設的發(fā)展，對鋁及鋁合金卷材氧化產(chǎn)品的市場需求量將會繼續(xù)增加，對花色品種的需求會越來越多，廣泛應用在建筑裝飾（鋁幕墻板、鋁蜂窩板、鋁塑板、鋁屋面板、鋁天花板、鋁門窗及卷閘門系列）、汽車內(nèi)飾、燈飾燈具、家用電器、食品包裝、家具的領域。

2 鋁及鋁合金卷材氧化工藝

鋁及鋁合金卷材經(jīng)過清洗除油脫脂、堿洗腐蝕、中和處理、陽極氧化、電解著色（染色）、封孔處理，在鋁卷材表面上形成各種顏色和各種不同膜厚的氧化層。其工藝流程為：開卷－脫脂－堿洗—中和—陽極氧化－電解著色（如鋁本色無此工序）—封孔處理－收卷。按需要可粘貼保護膜。

2.1 陽極氧化鋁及鋁合金基材要求

鋁及鋁合金基材的質(zhì)量是鋁卷材陽極氧化生產(chǎn)的核心部分，其在鋁材加工的開始一直到成品鋁卷都要經(jīng)過嚴格控制。從鋁材的熔鑄、金屬凈化、晶粒細化、鑄造板坯、洗面、熱軋、冷軋、熱處理、拉彎矯直等每一個工序都決定了最終氧化成品的表面質(zhì)量，任何微小的缺陷，都將最終影響產(chǎn)品表面的視覺效果。

鋁卷材的涂裝能用底漆和面漆遮蓋住鋁材表面的微小缺陷，而陽極氧化正好相反，氧化能放大鋁材表面微小缺陷。因此鋁材的產(chǎn)品質(zhì)量是生產(chǎn)鋁陽極氧化板的先決條件，國際上有專門的生產(chǎn)鋁陽極氧化板基材的廠家，并有相應的國際標準。

鋁及鋁合金基材是陽極氧化產(chǎn)品的關鍵。另一個關鍵就是陽極氧化的處理方法，兩者同等重要。

2.2 鋁及鋁合金卷材氧化前處理

為了去除鋁及鋁合金卷基材表面所附著的油污、灰塵、氧化物等，提供適合氧化要求的良好基底，氧化前必須對基材表面進行處理。通常把這種處理稱為氧化前處理或預處理。鋁卷材前處理的目的是提高鋁卷材的表面清潔及導電性能，形成適合氧化膜生成的鋁材表面。

前處理是保障鋁卷材氧化表面質(zhì)量的重要工序。通過化學清洗劑和化學（腐蝕或拋光）溶液兩個工序，配合一定的工藝過程，將鋁卷材表面的油污、雜質(zhì)清除干凈，使鋁卷材得到一個陽極氧化所要求的工藝表面。

表1 鋁及鋁合金硫酸陽極氧化膜耐蝕性

脫脂—在堿性或酸性溶液中清洗鋁材表面，去除鋁材在軋制過程中表面殘留的軋制油等其他表面雜質(zhì)。

堿洗—在氫氧化鈉中對鋁材表面進行適當處理，一是去除自然氧化層，二是對最終產(chǎn)品的要求提供適合氧化的基材。

中和—中和堿洗反應，清潔并洗白堿洗后的鋁材表面，提高氧化前的PH值。

前處理在整個陽極氧化工藝中屬于基礎工序，處理過程中所形成的缺陷往往帶有潛伏性，且會直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。因此要引起充分的重視。前處理缺陷形成的原因是多方面的，常見的原因有前處理試劑、設備、鋁卷材材質(zhì)、人為因素幾個方面。這些因素相互聯(lián)系，又相互制約的。有時一種缺陷的產(chǎn)生與多方面的因素相關。

2.3 陽極氧化

以鋁為陽極置于硫酸電解液中，利用電解作用，使鋁表面形成陽極氧化膜的過程稱為鋁硫酸陽極氧化。目前國內(nèi)外廣泛應用的是硫酸直流陽極氧化，它與其他酸陽極氧化相比較，在生產(chǎn)成本、氧化膜特點和性能方面具有下列明顯的優(yōu)越性。

1）生產(chǎn)成本低。電解液所要的硫酸價格低，電解耗電少，廢液處理簡單，與其他陽極氧化比較是一種最為廉價的工藝。

2）膜的透明度高。一般硫酸氧化膜為無色透明，且鋁越純，膜透明度越好，合金元素Si、Fe、Mn會使透明度下降，但Mg對透明度無影響，最適合于拋光后的光亮陽極氧化處理。

3）耐蝕性和耐磨性好。表1列出了鋁及鋁合金硫酸陽極氧化膜在各類大氣和CASS試驗中的耐蝕性。

4）電解著色和化學染色容易。硫酸氧化膜是多孔型（孔隙率平均為10%～15%），且無色透明，不受本色的影響，在電解著色過程中，金屬離子能從其孔底析出而發(fā)色，使色澤美觀、耐光和耐候性好，在化學染色中，多孔型膜吸附力強，容易使染色液滲入到膜孔中去，發(fā)生化學作用或物理作用，染成各種鮮艷的顏色。

2.4 鋁陽極氧化膜的著色

鋁陽極氧化膜的著色有幾種方法，工業(yè)化技術著色的氧化膜大體可以分為以下三種大類。

1）整體著色膜。日本又稱自然發(fā)色膜或一次電解發(fā)色膜。有時又分為自然發(fā)色膜和電解發(fā)色膜。自然發(fā)色指陽極氧化過程使鋁合金中添加成分（Si、、、、Fe、Mn等）氧化，而發(fā)色氧化膜的著色，比如Al -Si合金的硫酸陽極氧化膜；電解發(fā)色指電解液組成及電解條件的變化而引起氧化膜的著色，比如在添加有機酸或無機鹽的電解液中陽極氧化，其代表性的技術有Kalcolor法（硫酸+磺基水楊酸）及Duranodic(硫酸+鄰苯二甲水楊酸)。

2）染色膜。以硫酸一次電解的透明陽極氧化膜為基礎，用無機顏料或有機染料進行染色的氧化膜。由于陽極氧化膜具有孔隙率高、吸附能力強、容易染色的特點，各種染色法便應運而生。染色法即是將剛陽極氧化后的鋁板清洗后立即浸漬在含有染料的溶液中，氧化膜孔隙因吸附染料而染上各種顏色。由于這種方法上色快、色澤鮮艷、操作簡便；染色后經(jīng)封孔處理，染料能牢固地附著在膜孔中，形成了染色膜，提高了膜層的防蝕能力、抗污能力以及可以保持美麗的色澤。

3）電解著色膜。以硫酸一次電解的透明陽極氧化膜為基礎，在含金屬鹽的溶液中用直流或交流進行電解著色的氧化膜。代表性的電解著色的工業(yè)化技術是淺田法（Ni鹽交流著色法）、Anolok法和Sallox法（二者均系Sn鹽交流著色法）、住化法和尤尼可爾法（Ni鹽直流著色和直流脈沖著色法）等。近年來在工業(yè)上開始得到推廣的多色化技術。可以在一個電解著色槽中得到多種顏色。這是一種新型的利用干涉光效應的電解著色方法。

2.5 鋁合金陽極氧化的封孔

國標對封孔的定義為“鋁陽極氧化之后對于陽極氧化膜進行的化學或物理處理過程，以降低陽極氧化膜的孔隙率和吸附能力”。封孔是陽極氧化的最后一道工序，熱水加鎳鹽或有機物封孔稱為熱封孔，其本質(zhì)是水合反應。操作溫度在20～25》C的室溫，以氟化鎳為主要成分的封孔工藝稱為冷封孔。熱封孔及冷封孔等封孔技術都已非常成熟,本文不作詳細介紹。封孔已經(jīng)不局限于以水合反應過程為原理的沸水和高溫蒸汽封孔，從而使充填過程的冷封孔、鉻酸鹽封孔、已酸鎳封孔或中溫封孔等都包括在封孔范疇之內(nèi)。中溫封孔是無氟、無鎳、無重金屬新型封孔技術。

中溫封孔的溫度低于沸水封孔而高于冷封孔，實際上它不是單獨的一個方法，而是包括許多開發(fā)中的一系列工藝。重點對環(huán)境保護、降低污染、減少能耗、提高效率、改進品質(zhì)和方便控制而開發(fā)的新型中溫封孔。

1）無鎳中溫封孔。無鎳中溫封孔采用堿金屬、堿土金屬或其它二價或三價金屬的已酸鹽，如鋅、鈷、鉻（ш）、鈣、錳、鋇、鈰以及鎂和鋰等乙酸鹽，代替以鎳鹽為主成分的封孔技術，再加上表面活性劑和抑灰劑等構成無鎳體系。

2）無重金屬的中溫封孔。 不僅是鎳，其它重金屬離子對環(huán)境也往往是有害的，因此從保護環(huán)境的角度出發(fā)，無重金屬離子的中溫封孔更受關注。其方法是選用鋰或鎂的鹽溶液，加入少量氟化物和抑灰劑（如聚膦基羧酸、環(huán)已烷-六羧酸）以及表面活性劑（如十二烷基硫酸鋰）。封孔工藝過程可分兩個步驟：首先陽極氧化的鋁浸入室溫的鋰鹽溶液中，然后在含抑灰劑的熱水中封孔。

3）“無金屬”的中溫封孔。歐洲正在致力于開發(fā)完全沒有金屬離子的配方，在接近90℃時封孔，最佳的結果已經(jīng)大致可以達到無鎳的金屬封孔水平。

封孔的目的主要是降低多孔性陽極氧化膜的沾污性和提高氧化膜的耐腐蝕性。生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗表明，氧化工藝正確、封孔品質(zhì)合格的陽極氧化膜，可以通過包括鹽霧腐蝕試驗在內(nèi)的一系列耐腐蝕性檢驗。

3 結論

鋁及鋁合金連續(xù)陽極氧化生產(chǎn)效率高、氧化膜厚均勻、光澤度及色差統(tǒng)一，更重要的是其金屬質(zhì)感非常強，抗污染能力好，易清洗，表面硬度高，抗靜電，散熱快，火燒后也不會產(chǎn)生有毒氣體，其優(yōu)點是油漆涂裝鋁卷所不能比擬的。

國內(nèi)鋁及鋁合金卷材連續(xù)陽極氧化行業(yè)近幾年發(fā)展迅猛，其裝備水平和生產(chǎn)工藝情況差異較大，板厚在1毫米以下，寬度在1300毫米以下，氧化膜厚度也大都在8微米以下。色澤也比較單一。高質(zhì)量的外墻陽極氧化卷材及板材還需要進口。

[1]鋁及鋁合金陽極氧化與表面處理技術 朱祖芳主編