铝型材电泳钛金色防褪色工艺

范先才 秦贵芬 刘桂宏

(1.佛山金兰铝厂有限公司，广东 佛山高明 528513；2.贵州黎阳航空动力有限公司，贵州 黎阳 561102；3.南昌航空大学 材料学院，江西 南昌 330063)

铝型材电泳钛金色防褪色工艺

范先才1秦贵芬2刘桂宏3

(1.佛山金兰铝厂有限公司，广东 佛山高明 528513；2.贵州黎阳航空动力有限公司，贵州 黎阳 561102；3.南昌航空大学 材料学院，江西 南昌 330063)

本文介绍了温度、浓度、电压等与铝型材电泳钛金色稳定性相关的生产工艺参数，并运用正交试验对这些参数进行优选，找出了本厂使用钛金剂A的最佳工艺参数。通过对这些工艺参数的进一步讨论，本文最后得出了氧化膜致密性下降引起钛金色易褪色的结论。本文还介绍一些提高钛金色型材质量尤其是耐候性的经验方法供大家参考。

钛金色 褪色 老化试验 不对称电源 致密性

1.前言

铝合金广泛应用于航空航天、交通运输、轻工业、建材、电器、家具装潢等各个领域。铝合金原本的颜色较单一，不能满足各种应用中颜色多样化的需求，因此有必要对铝合金表面进行着色处理。着色方法有很多种，化学着色法、电解着色法和粉末喷涂着色法。其中电解着色是通过在多孔型阳极氧化膜的微孔底部沉积非常细小的金属和金属氧化物颗粒，对光的散射效应而获得不同颜色[1]。目前，在铝合金电解着色工艺中应用较为广泛的大致有三类。一是硫酸亚锡、硫酸镍单盐或双盐电解着色。这是一种从仿钢色→香槟色→古铜色→黑色的色系。其次是亚硒酸盐电解着色，色系为一种类似黄金的颜色，称作钛金色。最后一种是高锰酸盐电解着色，色系为金黄色[2-3]。

在这三种着色方式中亚硒酸盐着色的难度系数较大，主要存在的问题是上色困难，但颜色偏深后又无法通过水洗褪色，与硫酸亚锡着色完全不同，其次是在电泳烘烤中褪色变浅，式的生产上较难控制。更为糟糕的是在使用过程中也发现褪色，严重时颜色完全褪掉，造成十分严重的经济损失。在生产或使用过程中却始终存在褪色的问题，尤其电泳钛金色。产生褪色的原因可能是氧化膜孔中的着色析出物在受热或者太阳光中的紫外线照射下，物质结构发生变化而褪色。而正是由于这个原因导致铝型材钛金色的使用与推广大受限制，尤其是电泳钛金色型材[4]。如何能提高电泳钛金色型材的耐候性则成为铝型材氧化工作者急需解决的课题。经多次试验，本文认为铝型材电解着色工序是在生产中影响电泳钛金褪色的主要工序。而这个工序的几个主要工艺参数值将对电泳钛金色的稳定性起关键作用。

2.试验

2.1 试验材料及设备

试验材料成分如表1所示：

表1 6063(T5)成分表

材质：6063-T5，韦氏硬度8-12度，相当于抗拉强度160-230MPa。

试验设备如表2所示：

表2 试验设备

2.2 试验流程

除油→碱蚀→阳极氧化→电解着色→中温封孔→热水洗→电泳→固化。

氧化工艺参数如表3所示：

表3 阳极氧化工艺参数表

电解着色工艺参数如表4所示：

表4 电解着色工艺参数

经阳极氧化后的铝材进行电解着色，可以提高装饰效果和商品价值。 氧化膜的厚度、均匀性及结构与电解着色速度和色差有直接关系[5]。 电解着色时金属离子是在膜孔底部的阻挡层上还原沉积的。 由于金属粒子受光的散射作用而显色。 欲在阻挡层上沉积金属，关键在于活化阻挡层。 所以要使用交流电的极性变化来提高其化学反应活性。 又由于阻挡层具有整流作用，将交流电变成了直流电，故铝一侧电流的负成分占主导，进入膜孔内的金属离子被还原析出[6]。

经过初步筛选我们确定以着色液温度、钛金剂A浓度、着色电压为钛金色型材着色环节的主要工艺参数，并对每一参数选取三个不同的水平，如表4所示；以氧化膜10μm的铝型材为样板，通过正交实验着色后再电泳(复合膜达到国家B级标准)，制备样品后再进行100小时紫外灯照射老化试验。实验结果如表5所示：

表5 不同水平的工艺参数

表6 实验结果数据

由表6可知，被选定的三个工艺参数在不同水平下对钛金色的稳定性都起到较大影响。当温度因素选水平2，浓度因素选水平3，电压因素选水平1时样品呈现最好的试验结果。

另外着色时间短的样品普遍比时间长的试验结果要好，所以使用钛金剂A选用的最佳工艺参数是：温度35±2℃、钛金剂A浓度6g/L(可适当调整钛金剂A浓度，务必控制着色时间在10分钟以内)、电压13V。

3.讨论

3.1 着色机理的探讨

关于铝型材电解着色机理的论述较多，目前大家普遍倾向于这种说法：在阳极氧化多孔性膜的底部，都存在一层0.01～0.05μm的阻挡层，此阻挡层是电阻很大的离子导体和电子导体。在进行电解着色时，金属离子由溶液中向多孔膜的底部移动，其推动力是电场的电泳力和化学位的扩散力。着色时的电压一般低于阳极氧化时的电压，着色电压的大部分消耗于阻挡层的欧姆电压降，所以在多孔膜孔的两端几乎没有电位差[7]，因此金属离子主要靠扩散进入微孔内，阻挡层上电子的传导引起了金属离子或金属含氧酸根离子的还原。还原析出物在孔底以胶粒或微晶的状态析出，当这些微粒的大小与可见光的波长相近时将发生光的选择性吸收或散射，显现出独特的色彩。

经过大量实验，银盐电解着色的试片在500℃以上加热处理和阳极化处理时均不变色；亚硒酸盐电解着色试片在阳极化时颜色不变，在加热处理时却会退色。由此可知，银盐着色时的析出物是金属状态的银，而亚硒酸电解着色时的析出物是氧化物[4]。

3.2 工艺参数的影响

①温度：亚硒酸电解着色时的析出物是氧化物，在着色时与高锰酸钾类似，在常温下难以通过扩散方式进入氧化膜孔。在氧化后着色前用活化剂对氧化膜进行扩孔，但存在扩孔不均匀、颜色重复性差以及封孔不合格的问题。本文采用升高着色槽液温度的方法来达到增加离子扩散动力克服位阻的目的。

但氧化膜在温度高的酸性溶液中，氧化膜的致密性将下降。在实际生产中，着色液温度控制在45-50℃时会出现氧化钛金的氧化膜变松脆的情况，电泳钛金更是大范围褪色。通过大量反复实验，最终确定槽液温度为35±2℃，这既能提高着色能力又能使氧化膜致密性不至于急剧下降的。

②钛金剂A浓度：作为着色主盐的钛金剂A，浓度高低对着色起主要作用，因为只有硒氧化物在膜孔中沉积后氧化膜才能显色。而且主盐浓度越高，着色时间越短；反之，则时间长。通过正交试验可以得知，着色时间越短对防止电泳钛金色褪色越有利。时间越短，氧化膜的致密性下降越少，从而影响电泳钛金的耐候性。

着色时间过短，在生产控制上将造成不便；主盐浓度过高，槽液带出损耗加大，于成本不利。综合考虑，将着色时间控制在10分钟以内时的浓度为宜。

③电压：着色电压太高会使上色速度变快，但会造成氧化膜脱落，所以着色电压的大小是以不超过氧化电压为准。以亚硒酸着色和高锰酸钾着色为例，它们的着色时间较长、槽液温度高，电压参数比锡盐着色时更为敏感。锡盐点解着黑色时，若时间长也会出现“爆膜”现象。

实验证明：亚硒酸着色电压在15V以上时就会出现氧化膜变脆甚至脱落的危险，电压过低也会造成氧化膜无法着色，着色电压确定为13V最为合适。

3.3 着色电源的优化选择

为使主盐在低浓度下(比正常浓度降低约30%左右)也能达到快速着色的目的，建议着色电源使用交流正弦波不对称电源。

其特点是可在着色主盐处于中低浓度而且不改变其它条件的情况下缩短着色时间，目前已广泛用于锡盐着深颜色。原理主要是改变了电源输出波形的正负半波长比例关系，使对着色起主要作用的负半波长时间加长，而沉积着色又主要发生在负半波长内。通过改变正负波长比例，使得一个波长内的有效着色时间大大增加，从而缩短整个着色过程时间，避免氧化膜致密性出现较大下降。

4.结论

通过对着色工艺参数的讨论，本文发现引起电泳钛金褪色的最终原因实际上是氧化膜的致密性下降，氧化钛金经过封孔后，致密性远大于电泳钛金，所以电泳钛金色比氧化钛金色更容易褪色。

将封孔与不封孔的钛金着色型材进行加热烘烤实验对比，就会发现未封孔的型材很快褪色，而封孔后的型材却褪色较少。亚硒酸着钛金色的确比锡盐着色更容易褪色，但如果能采取恰当的工艺防止氧化膜致密性下降，那么将会在很大程度上降低电泳钛金型材在短期内褪色的风险。

可采用高浓度、中温、低电压以及使用不对称电源等方法提高致密性，着色时间控制在10分钟以内，氧化膜致密性越好，着色时间越长氧化膜致密性越差，还会有“爆膜”的危险。

[1]周蕾玲，丁毅，马立群.铝合金电解着色技术[J].轻合金加工技术.2008，36(6)：33-36.

[2]万国仙，等.铝及铝合金电解着色(黄金系列)[J].电镀与涂饰.1991，10(2)：28-31.

[3]刘娅莉，等.铝型材阳极氧化电解着金黄色系研究[J].电镀与精饰.2002，24(2)：5-8.

[4]铝的阳极氧化和电解着色—II.金黄色电解着色技术[J].浙江工学院学报.1989，第1期：1-5.

[5]张海霞，等.铝合金阳极氧化膜电解着色及功能膜应用[J].全面腐蚀控制.2006，20(4)：10-13、15.

[6]铝及铝合金阳极氧化、着色及封闭的现状和发展趋势[J]，电镀与涂饰，2002，21(6)：30-32.

[7]朱祖芳．铝合金阳极氧化与表面处理技术[M]，北京：化学工业出版社.2004：118.

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

FAN Xian-cai1QIN Gui-fen2LIU Gui-hong3

(1.FoshanJinLanAluminium.Co.，ltdGaomingDistrict，FoShanGuangDong528513；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