鋁合金化學發黑新工藝
鄧立元,鐘宏,楊余芳,周書天
(1.湖南科技大學化學化工學院,湖南湘潭411201;2.中南大學化學化工學院化工冶金所,湖南長沙410000)

摘要:開發出一種鋁合金化學發黑新工藝。通過正交試驗得到了最佳工藝條件,該工藝通過兩步氧化著色法,得到了結合力好、耐蝕性強、顏色鮮艷美觀的鋁合金黑色氧化膜;
關鍵詞:鋁合金;化學發黑;兩步氧化著色
中圖分類號: TGl77文獻標識碼:B文章編號:1004-227X(2004)02-0016-03
1前言
    在鋁合金產品應用中,黑色是一種重要的常見色調。它不僅可作大方典雅的表面裝飾色,還是鋁合金制備吸熱材料、光學材料和零部件時必不可少的顏色。鋁合金著黑色有較大的市場需求。目前鋁合金著黑色多采用傳統的電解著色和硬質陽極氧化著色法,耗電量大,需專用設備及工夾具,不適用于超小型工件及結構復雜的工件。采用一種化學氧化著黑色的新技術,通過兩步氧化著色,得到了結合力好、耐蝕性強、顏色鮮艷美觀的鋁合金黑色氧化膜。
2實驗部分
2.1實驗過程
鋁合金兩步法氧化發黑工藝流程:
工件→化學脫脂→堿蝕→酸蝕出光→化學氧化→發黑→封閉→干燥→成品
2.1.1前處理
(1)化學脫脂
用60~65℃堿性化學脫脂液處理工件約2 min,除去工件表面的油污,以保證堿蝕均勻,防止工件產生花斑。其脫脂液配方如下:
NaOH5~6 S/L
Na2CO320~25 g/L
Na3PO4·12H2O10~15 g/L
表面活性劑1 g/L
(2)堿蝕
    在60℃的NaOH(ρ(NaOH)=40~50g/L)溶液中堿蝕l~2min,以除去工件表面殘存的自然氧化膜及變質合金層,并調整基體表面,使之均勻一致。為了減少腐蝕過程中沉淀的氧化鋁絮凝物,可采用檸檬酸銨(ρ=10g/L)作為螯合劑。
(3)酸蝕出光
   用H2SO4和HNO3體積濃度分別為15~20 mL/L、3~5 mL/L的酸蝕液中和殘留堿,同時溶去掛灰附著物,使工件露出光潔的活性表面。
2.1.2氧化著色
  氧化著色分兩步,第1步采用傳統的鉻酸鹽氧化工藝,對經前處理的工件及時進行化學氧化,以免再次污染或生成新的自然氧化膜,其工藝規范如下:Na2CrO418 g/L
Na2CO45 g/L
NaOH4g/L
Na3PO48g/L
θ60~70℃
t10 min
經該步處理,可得到耐蝕性基本達標的氧化膜。
    第2步為對經氧化處理的工件著黑色。該步工藝配方采用某過渡金屬化合物A為著色劑,KMnO4為氧化劑,NiSO4為催化劑,并加HNO3調節pH值為5左右。工件在80~90℃處理約8min即可。
2.1.3封閉
    可采用水解鹽法進行封閉,在已形成的發黑膜孔隙中產生氫氧化物沉淀,將微孔堵塞。經封閉可進一步提高耐蝕性,增加光澤度。水解鹽法封閉工藝規范如下:
NiSO4 4~5 9/L
NaAc·3H2O4~6g/L
CoSO4·7H2O0.5~0.8g/L
H3BO34~5 9/L
pH值4~6
θ80~85 ℃
t15~20 min
2.2膜層主要性能評價指標
因采用兩步氧化成膜,該配方在較大試驗范圍內均可得到耐蝕性好的氧化膜,故確定正交評分及檢驗標準時著重選用了膜層色度、均勻度、附著力三個指標(見表1)。表中,均勻度由顯微鏡(100目)觀察,用同樣面積內膜上小坑或突起的多少計分;附著力以脫脂棉力度均勻地擦拭膜表面至露基底的次數計分。綜合評分z由公式計算。
3結果與討論
3.1各因素對著色效果的影響
    經初步試驗,選取了影響著黑色效果的4個主要因素:著色劑A質量濃度,KMnO4質量濃度,著色溫度,著色時間。采用L9(34)正交表進行正交試驗優選,并固定NiSO4質量濃度為2 g/L,各配方均用HNO3)調節pH值為5。
    以正交試驗的結果作極差分析,繪制極差分析圖見圖1。由圖可知,著色劑A用量對色度及附著力均有較大影響,用量大有利于提高膜層整體性能;KMnO4濃度有一最佳值,用量過高膜層各項指標反而有所下降;著色溫度可在一較大范圍內波動,易于操作控制。
3.2最佳工藝條件
根據正交試驗極差分析結果,綜合進行單因素試驗的結果,得到了最佳工藝條件。
著色劑A16~18g/L
KMnO48~10 g/L
NiSo42g/L
θ80~85 ℃
pH值4.5~5
t8~10 min
3.3氧化層測試結果
    以最佳工藝條件處理鋁合金表面,得到了黑色鮮艷、附著力強、平整、光潔、均勻致密的黑色氧化膜,且表面無掛灰。
    由膜層表面電鏡照片(圖2)分析可知,其表面明顯為具有高耐蝕性的非晶型結構,膜層均勻致密;由側面電鏡照片(圖3)可知該膜層非常均勻,兩層氧化膜結合良好。
    由電子能譜分析(圖4)可知膜層主要成分為Al2O3、MnO2、NiO及另一關鍵著色成分,質量分數分別為25%、44.5%、13.5%、17%。
    對本試驗獲得的著色工件采用銼刀法評價其結合力,用扁銼呈45。由基體金屬向鍍層方向銼鍍層的邊棱,鍍層未見揭起或脫落。
4結論
   
利用該鋁合金化學發黑新技術對經堿性鉻酸鹽氧化液處理后的鋁合金化學著色,得到了顏色鮮艷、結合力好、耐蝕性強、有很好的裝飾及防蝕效果的黑色氧化膜。且該法耗電量低,設備簡單,投資小,操作簡便,便于批量生產,尤其適用于形狀復雜的鋁合金工件表面著黑色,具有較好的應用前景。

制服丝袜亚洲日本高清