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鋁合金化學(xué)發(fā)黑最新工藝
鋁合金化學(xué)發(fā)黑新工藝
1? 前言
在鋁合金產(chǎn)品應(yīng)用中，黑色是一種重要的常見色調(diào)。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(xué)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(tǒng)的電解著色和硬質(zhì)陽極氧化著色法，耗電量大，需專用設(shè)備及工夾具，不適用于超小型工件及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。采用一種化學(xué)氧化著黑色的新技術(shù)，通過兩步氧化著色，得到了結(jié)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(fā)黑工藝流程：
工件→化學(xué)脫脂→堿蝕→酸蝕出光→化學(xué)氧化→發(fā)黑→封閉→干燥→成品
2.1.1? 前處理
(1)化學(xué)脫脂
用60～65℃堿性化學(xué)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(chǎn)生花斑。其脫脂液配方如下：
NaOH? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5～6 S/L
Na2CO3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?20～25 g/L
Na3PO4·12H2O? ? ? ? ? ?10～15 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(zhì)合金層，并調(diào)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(tǒng)的鉻酸鹽氧化工藝，對經(jīng)前處理的工件及時進行化學(xué)氧化，以免再次污染或生成新的自然氧化膜，其工藝規(guī)范如下：
Na2CrO4? ? ? ? ? ? 18 g/L
Na2CO? ? ? ? ? ? ?45 g/L
NaOH? ? ? ? ? ? ?4g/L
Na3PO4? ? ? ? ? ? 8g/L
θ? ? ? ? ? ? ? ? ?60～70℃
t? ? ? ? ? ? ? ? ? 10 min
經(jīng)該步處理，可得到耐蝕性基本達標的氧化膜。
第2步為對經(jīng)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(diào)節(jié)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(fā)黑膜孔隙中產(chǎn)生氫氧化物沉淀，將微孔堵塞。經(jīng)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(guī)范如下：
NiSO4? ? ? ? ? ? ? ? ?4～5 9/L
NaAc·3H2O? ? ? ? ? ?4～6g/L
CoSO4·7H2O? ? ? ? ? 0.5～0.8g/L
H3BO3? ? ? ? ? ? ? ? ?4～5 9/L
pH值? ? ? ? ? ? ? ? ? 4～6
θ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?80～85 ℃
t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?15～20 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(nèi)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(nèi)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(shù)計分。綜合評分z由公式計算。
3? 結(jié)果與討論
3.1? 各因素對著色效果的影響
經(jīng)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(zhì)量濃度，KMnO4質(zhì)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(yōu)選，并固定NiSO4質(zhì)量濃度為2 g/L，各配方均用HNO3)調(diào)節(jié)pH值為5。
以正交試驗的結(jié)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(nèi)波動，易于操作控制。
3.2最佳工藝條件
根據(jù)正交試驗極差分析結(jié)果，綜合進行單因素試驗的結(jié)果，得到了最佳工藝條件。
著色劑A? ? ? ? ? ? ? ? 16～18g/L
KMnO4? ? ? ? ? ? ? ? ? 8～10 g/L
NiSo4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2g/L
θ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?80～85 ℃
pH值? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.5～5
t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?8～10 min
3.3? 氧化層測試結(jié)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(jié)構(gòu)，膜層均勻致密；由側(cè)面電鏡照片(圖3)可知該膜層非常均勻，兩層氧化膜結(jié)合良好
1? 前言
在鋁合金產(chǎn)品應(yīng)用中，黑色是一種重要的常見色調(diào)。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(xué)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(tǒng)的電解著色和硬質(zhì)陽極氧化著色法，耗電量大，需專用設(shè)備及工夾具，不適用于超小型工件及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件。采用一種化學(xué)氧化著黑色的新技術(shù)，通過兩步氧化著色，得到了結(jié)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(fā)黑工藝流程：
工件→化學(xué)脫脂→堿蝕→酸蝕出光→化學(xué)氧化→發(fā)黑→封閉→干燥→成品
2.1.1? 前處理
(1)化學(xué)脫脂
用60～65℃堿性化學(xué)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(chǎn)生花斑。其脫脂液配方如下：
NaOH? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?5～6 S/L
Na2CO3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?20～25 g/L
Na3PO4·12H2O? ? ? ? ? ?10～15 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(zhì)合金層，并調(diào)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(tǒng)的鉻酸鹽氧化工藝，對經(jīng)前處理的工件及時進行化學(xué)氧化，以免再次污染或生成新的自然氧化膜，其工藝規(guī)范如下：
Na2CrO4? ? ? ? ? ? 18 g/L
Na2CO? ? ? ? ? ? ?45 g/L
NaOH? ? ? ? ? ? ?4g/L
Na3PO4? ? ? ? ? ? 8g/L
θ? ? ? ? ? ? ? ? ?60～70℃
t? ? ? ? ? ? ? ? ? 10 min
經(jīng)該步處理，可得到耐蝕性基本達標的氧化膜。
第2步為對經(jīng)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(diào)節(jié)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(fā)黑膜孔隙中產(chǎn)生氫氧化物沉淀，將微孔堵塞。經(jīng)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(guī)范如下：
NiSO4? ? ? ? ? ? ? ? ?4～5 9/L
NaAc·3H2O? ? ? ? ? ?4～6g/L
CoSO4·7H2O? ? ? ? ? 0.5～0.8g/L
H3BO3? ? ? ? ? ? ? ? ?4～5 9/L
pH值? ? ? ? ? ? ? ? ? 4～6
θ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?80～85 ℃
t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?15～20 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(nèi)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(nèi)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(shù)計分。綜合評分z由公式計算。
3? 結(jié)果與討論
3.1? 各因素對著色效果的影響
經(jīng)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(zhì)量濃度，KMnO4質(zhì)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(yōu)選，并固定NiSO4質(zhì)量濃度為2 g/L，各配方均用HNO3)調(diào)節(jié)pH值為5。
以正交試驗的結(jié)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(nèi)波動，易于操作控制。
3.2最佳工藝條件
根據(jù)正交試驗極差分析結(jié)果，綜合進行單因素試驗的結(jié)果，得到了最佳工藝條件。
著色劑A? ? ? ? ? ? ? ? 16～18g/L
KMnO4? ? ? ? ? ? ? ? ? 8～10 g/L
NiSo4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2g/L
θ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?80～85 ℃
pH值? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.5～5
t? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?8～10 min
3.3? 氧化層測試結(jié)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(jié)構(gòu)，膜層均勻致密；由側(cè)面電鏡照片(圖3)可知該膜層非常均勻，兩層氧化膜結(jié)合良好
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