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阳极氧化膜染色不均匀故障分析与处理
上传时间:2019-11-12

金属的表面与周围的介质发生化学作用或电化学作用,因而使金属受到损坏的现象,通常称为金属的腐蚀。金属的腐蚀每年都给我们造成巨大的损失。防止金属腐蚀的方法之一是在金属表面形成氧化膜保护层。不少金属存在着天然的氧化膜, 但它们多数起不到保护层的作用。    

铝及铝合金具有密度小,比强度高,导电和导热性好,成型容易,无低温脆性等优点,是一种综合性能优良的轻金属材料。

目前,铝材在航空航天工业及建筑材料、交通工具、电子产品等领域中得到了广泛的应用。铝对氧的化学亲和力特别强,在大气中其表面总是被一层透明的氧化膜所覆盖,但是天然的铝氧化膜极薄,只有4x10-3-5x10-3μm,且孔隙率大,机械强度低,抗蚀和耐磨性都不能满足防腐蚀的需要。利用电化学方法,可使铝(或铝的合金)表面生成致密的优质氧化膜,且膜较厚,其厚度可达几十至几百微米,能有效地提高铝的耐腐蚀性。这种使铝表面氧化的电化学工艺称为铝的阳极氧化。另外,由于所形成的氧化膜存在均匀的孔隙,还可以用有机染料进行染色,经封密后色泽稳定,使铝材的应用更加广泛。 

铝阳极氧化膜的着色有好几种方法,工业化技术着色的氧化膜大体可以分为以下三大类。       

(1)整体着色膜。日本又称自然发色膜或一次电解发色膜。这里有时又细分为自然发色膜  和电解发色膜。自然发色指阳极氧化过程使铝合金中添加成分(Si、Fe、Mn等)氧化,而发生氧化膜的着色, 比如Al-Si合金的硫酸阳极氧化膜; 电解发色指电解液组成及电解条件的变化而引起氧化膜的着色,比如在添加有机酸或无机盐的电解液中阳极氧化,其代表性的技术有Kalcolor法(硫酸 + 磺基水杨酸)及Duranodic法(硫酸+ 邻苯二甲水杨酸)。       

(2)染色膜。以硫酸一次电解的透明阳极氧化膜为基础,用无机颜料或有机染料进行染色的氧化膜。       

(3)电解着色膜。以硫酸一次电解的透明阳极氧化为基础,在含金属盐的溶液中用直流或交流进行电解着色的氧化膜,在日本也叫二次电解膜。它的意思是阳极氧化叫做一次电解, 而电解着色叫做二次电解。代表性的电解着色的工业化技术是浅田法(Ni盐交流着色法)、Anolok 法和Sallox法(二者均系Sn盐交流着色法)、住化法和尤尼可尔法(Ni 盐“直流” 着色和“直流”脉冲着色法)等。近年来在工业上开始得到推广的多色化技术, 可以在一个电解着色槽中得到多种颜色。这是一种新型的利用于干涉光效应的电解着色方法, 由于在电解着色之前增加电解调整,在日本又称之为三次电解法。  

如何保证氧化膜层染色的均匀性:由于铝合金硫酸阳极氧化膜颜色均匀性主要取决于铝合金的成分以及阳极氧化处理工艺条件,如温度、电流密度、夹具、使用水质、工序间的防护等。要从实际工艺中的微细处着手,才能有效采取措施,获得色泽均匀、性能优良的氧化膜层。

严格控制阳极氧化过程的溶液温度
从阳极氧化的成膜过程知道,随着阳极氧化温度的升高,膜层的颜色逐渐变深,膜层的厚度也逐渐变薄,主要原因是阳极氧化膜有绝缘性,当氧化膜形成后相应加大了电阻。这些电阻通电后,产生电压降。这样会使大量的电能转变成热能,使氧化溶液温度的升高,加速了对膜层的溶解。
氧化溶液温度愈高,溶解作用愈强,因此随着氧化溶液温度的升高膜层的厚度会逐渐变薄。氧化溶液温度较低时,形成的氧化膜致密,孔隙率小,不易着色,随着氧化温度的升高,氧化膜逐渐变得疏松,膜层孔隙率逐步变大,膜层的颜色随温度的升高逐渐变深。因此氧化溶液温度是决定氧化膜致密程度的重要因素,也是决定氧化膜颜色均匀性的重要因素。

硫酸阳极化溶液温度必须严格控制,根据不同的铝合金选用不同的温度范围,对于硬铝、超硬铝及纯铝等来说,最佳的溶液温度范围为15℃~25℃;对于防锈铝合金零件来说,最佳的温度范围为l0℃~l8℃。在硫酸阳极氧化工艺中,需采用压缩空气搅拌,并配备制冷装置。


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磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中,使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直,轴芯与磁浮线是平行的,所以转子的重量就固定在运转的轨道上,利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑,形成整个转子悬空,在固定运转轨道上。与传统的滚动轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比,磁轴承不存在机械接触,转子可以运行到很高的转速,具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点,是制冷技术领域的新宠。
严格控制阳极电流密度

随着阳极电流密度的升高,氧化膜层的颜色逐渐变深,膜层的厚度先变厚而后又变薄。其原因是随着阳极电流密度的增加,氧化膜孔隙加大,易于着色;而随着阳极电流密度减小,膜的生长速度减小,膜层致密,所以随着电流密度的升高,膜层颜色逐渐变深。

在其他条件不变的情况下,提高阳极电流密度,氧化膜的生成速度较快,可缩短阳极氧化时间,膜层的化学溶解量减少,得到的膜层较硬,耐磨性好。但阳极电流密度不能升得太高,否则会因焦耳热的影响,膜孔内热效应加大,局部温升显著,加速了氧化膜的溶解,成膜速度反而下降,也容易造成零件的烧蚀。也就是说阳极电流密度提高,在一定范围内可加速氧化成膜的生成速度,但到一定值后,成膜速度反而降低。

阳极电流密度的大小直接影响膜层颜色的均匀性,根据不同的铝合金选用不同的阳极电流密度,对各种纯铝、包铝零件,最佳电流密度为1.0A/dm2~1.5A/dm2;对铸铝、锻铝零件,最佳电流密度为1.5A/dm2~2.5A/dm2;对硬铝及超硬铅零件,最佳电流密度为l.3A/dm2~1.5A/dm2;对防锈铝合金零件,最佳电流密度为1.0A/dm2~1.3A/dm2

确保阳极氧化过程的用水品质
硫酸阳极氧化溶液所使用的水质及溶液中的有害杂质含量必须严格控制。配制硫酸阳极氧化溶液必须采用软化水、去离子水或蒸馏水,坚决不能用含有 Ca2+、Mg2+、SiO32-及Cl-的自来水。一般情况下,水中的Cl-浓度达到25mg/L时就会对铝合金的阳极氧化处理产生有害影响。Cl-离子(包括其他卤族元素)可破坏氧化膜的生成,甚至根本形成不了氧化膜。硫酸阳极化清洗用水及封闭用水也应采用去离子水或蒸馏水,要求水中[Cl-]≤15mg/L,总矿物质≤50mg/L。

阳极氧化溶液中主要的杂质是Al3+、Cu2+、Fe2+、Cl-、F-、NO3-等,当 Cl-、F-、NO3-等阴离子杂质含量高时,阳极氧化膜的孔隙率会大大增加,氧化表面变得粗糙和疏松,这些杂质在氧化溶液中的允许含量为[Cl-]<0.059/L,[F-]<0.019/L等。氧化溶液中的Al3+主要来自工件在氧化过程中的溶解,当溶液中[Al3+]>209/L时,氧化膜表面呈现白点或块状白斑,氧化膜的吸附性能下降,造成染色困难。

当[Cu2+]含量达到0.029/L时,氧化膜会出现暗色条纹和黑色斑点。要排除Cu2+,可以通直流电,阳极电流密度控制在0.1A/dm2~0.2A/dm2左右,溶液中的金属铜便在阴极上析出。当Cu2+含量很高时,可先用铅板直接放人电解液中,这时铅板上会很快置换上一层金属铜。用此法可去除含量较高的铜离子,而后再通电处理,可以彻底去除Cu2+。如杂质含量超过允许值,可部分或全部更换阳极氧化溶液。

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