| 铝材常温封孔质量影响因素的探讨
许旋 林国辉 罗一帆 陈子超
1 前言
铝阳极氧化膜在氧化后为了保证其质量，适应于长期使用必须进行封孔处理。封孔的目的是为了提高铝材的耐蚀性、其表面抗污染能力及其着色膜的色泽度和耐光、耐候性，因此封孔是十分重要的技术环节[1]。目前国内外普遍使用的工艺是以氟化镍为主体的常温封孔工艺，但除了封孔溶液的成分外，其封孔工艺条件，如封孔温度、封孔时间、溶液PH、所用水的洁净度等因素对其封孔质量的影响非常大，这些条件往往由工厂技术工人控制与调整，如果生产过程中操作不善或不加以注意，则无法保证铝材的封孔质量，从而影响了生产的铝材质量。为此，本文对影响铝合金型材封孔质量的因素进行了探讨，为生产中控制和调整其封孔工艺条件和影响因素、提高铝材质量提供参考。
2 实验
2．1 工艺流程
一般工业上均采用如下的生产工艺流程：
常温脱脂→水洗→碱蚀→水洗→水洗→出光→水洗→水洗→阳极氧化→二次水洗→封孔→二次水洗
2．2 实验材料与仪器
试验用铝合金材料为6063型材料，所用试剂和药品均为一般工厂所用，封孔添加剂为笔者试验研究配制而成。
试验装置有可控硅整流电源、恒温水浴装置。
2．3 硫酸阳极氧化工艺规范
硫酸 170g/L
铝离子 10g/L
消泡剂 18g/L
θ 25℃
j 1．5 A/dm2
t 18 min
2．4 封孔
封孔工艺规范：
封孔剂 4 g/L
pH 6．0
Ni2+ 1．2 g/L
F- 0．6g/L
θ 30
t 15 min
溶液刚纯水配制 当探讨某一影响因素时，只改变这一因素，其它因素则固定在上述工艺条件值。
2．5封孔质量检测
铝材封孔质量采用氧化膜失重分析方法来检测。其原理是未封闭的氧化膜迅速溶于酸性腐蚀介质中，封孔良好的氧化膜能长期在酸性腐蚀溶液中浸泡而不发生明显的腐蚀， 方法：铝材经封孔 36h后，切取待测试样，具面积S约为1dm2，放入丙酮溶剂中，洗去油污；风干后将试样称重m0(精确至0．1 mg)，然后在温度为(38±1)℃的腐蚀液中浸泡15 min，腐蚀液组成为：20 g/L铬酐(CrO3)、35mL/L H3PO4(w(H3PO4)=85%))取出水洗、风干室温
干燥后称重mi。
失重=(m0-mi)/S
失重越小，封孔效果越好，失重小于30 mg/dm2为合
格。
3结果与讨论
3．1 Ni2+含量对封孔质量的影响
日前多数选用Ni(AC)2作为主封孔物质，Ni2+是封孔溶液中最主要的离子之一。封孔是通过Ni2+进入氧化膜孔进行水解沉淀得以实现的，镍氟体系常温快速封孔的机理是溶解-沉积反应，其反应产物(塞孔物质)主要由Ni(OH)2、AlOOH、AlF3组成[2]，是金属盐的水解沉积、水化反应和形成化学转化膜3个作用的综合结果。
Ni2+填充速度直接影响封孔速度，其含量对封孔质量影响很大。图1是Ni2+含量对氧化膜失重的影响，结果表明Ni2+质量浓度控制在1．1～1．3g/L较好。
3．2 氟化物含量对封孔质量的影响
金属离子的水解反应中阳极化膜是带正电荷的，浸入封孔液后负电性很强的氟离子对膜起了电中和作用，改变了膜表面的电荷分布，由正电性变成了负电性，这有利于镍离子向孔内扩散和水解[4]；另一方面，F-半径小，可以吸附在膜孔内后中和氧化膜孔表面的正电荷，并与孔壁的氧化膜反应生成氟铝络合物，从而使孔内A13+积累和pH升高，Ni2+、AlF63-与OH-作用生成Ni(OH)2、Al(OH)3混合物沉淀，有利于Ni2+向膜孔内表面的迁移和水解[5]，因此F-也是封孔溶液中主要的离子，图2是F-含量对氧化膜矢重的影响，结果表明F-质量浓度在0．5～0．8 g/L为宜。
镍氟含量比例失衡是封孔度差的主要原因，生产中F-与氧化膜反应而消耗，其消耗速度比Ni2+快。生产过程中，Ni2+和F-含量比例失衡是必然存在的，因此对Ni2+、F-含量要注意分析，控制ρ(Ni2+)＞l g/L、ρ(F-)0．5～0．8 g/L，随槽液老化，F-含量需用上限，当Ni2+足够而F-含量不够时可单独补加氟化物。
3．3 封孔添加剂含量对封孔质量的影响
添加剂是由一些有机物和无机物组成，其作用是既能协助镍盐封孔，又能增强膜层耐蚀性能，并能阻止铝材基体的氧化和腐蚀，与氟离子生成能封孔的反应物。Al2O3与F-反应生成Al3+，Al3+发生水化反应产生水合Al（H2O）63+，其含量达到一定值时，离子间发生缔合、水解和浓缩，最后转化为稳定相AlOOH(AlO3)[3]。封孔剂中加有促进水解和水化的金属离子和助剂，以利水化反应在常温下进行。Al3+还能与封孔剂中的有机物如极性溶剂分子形成有保护作用的化学转化膜。图3是封孔添加剂含量对氧化膜失重的影响，结果表明，封孔添加剂质量浓度的适宜范围为3．5～4．5 g/L，使用时最好在4．0 g/L左右。
3．4封孔液pH值对封孔质量的影响
根据pH值对封孔质量的影响试验，可得到如图4所示结果。由图4可知，随溶液pH值的上升，Ni2+的吸收量升高，封孔质量提高；但pH值太高，型材表面容易产生白灰，这主要是因为镍盐失去稳定性，大量水解；pH值太低，不足以造成镍盐水解，达不到封孔效果。pH值对封孔的作用原理是其对金属盐水解沉积起制约作用，通过膜孔中沉积镍盐的水解物来达到封孔的目的，而水解物沉积量的多少直接影响封孔的效果。PH值在5．5～6．5之间镍盐水解的沉积量较多，可达到封孔的目的，pH值在6．0左右时封孔效果最好，而这时的酸度也较容易控制。
3．5 封孔液温度对封孔质量的影响
根据不同温度下的封孔试验，可得到如图5所示结果。由图5可知，当温度处于30～35℃时，封孔质量较好；当温度升高时，金属离子力扩散速度加快，水解速度加快，氟化膜中的镍质量浓度增加，当温度高到一定程度时，形成钝化膜的Ni2+质量浓度减少，这样势必会影响封孔效果，并且也会增加能耗；温度太低时，F-与氧化膜反应弱，不足以引起镍盐水解，封孔效果则较差。
3．6 杂质离子对封孔质量的影响
在生产过程中不断带进杂质离子，造成杂质的积累，含Ca2+、Mg2+增多，F-消耗加快，或清洗不干净时，着色液和硫酸带入封孔槽内，造成交叉污染，PH值下降，而需用氨水调溶液pH值等等，这些因素都会导致SO42-和NH4+积累，从而导致封孔中F-的活性降低，不利于金属离子进入微孔，在其中发生沉淀反应，而且溶液中的其它金属离子杂质可能优先于Ni2+吸附，干扰Ni2+的吸附，使封孔质量下降。因此，控制配槽用水和把好清洗关至关重要。另外，溶液pH过低时，可用氢氧化钠调节溶液的PH值至6左右，不要用氨水来调节，这样可有效阻止NH4+的带入。
3．7 封孔时间对封孔质量的影响
温度影响化学反应速度，一般是每升高10℃化学反应速度提高l倍，封孔时间可缩短1倍。当封孔温度在30～35℃时，封孔速度约1 μm/min。此时，要根据氧化膜性质[6～7]、厚度、封孔温度确定封孔时间。一般对于一定厚度的氧化膜，封孔温度与时间关系为：时间=温度常数(0．8～1．2)x膜厚。
由此可知，一般封孔时间在10～20min。要注意，时间太短，封孔不完全，时间太长，易引起过封孔，型材表面起灰严重，影响型材的外观质量，对铝型材而言，其阳极氧化膜厚度越大，封孔越难，氧化膜失重越大，封孔质量越差，生产时要注意合理控制氧化膜的厚度。
4 结论
铝材常温封孔质量的影响因素有：封孔液中的封孔物质镍盐、氟离子、封孔添加剂及其含量，这3个因素是决定铝材封孔质量效果的关键性因素：溶液的PH值、温度和封孔时间是影响铝型材封孔质量的重要条件因素；而提高槽液的洁净度、减小杂质的含量是铝材封孔质量的重要保证、经过试验表明，．保证铝材常温封孔质量适宜生产工艺条件应为：
MNi（AC）2 5g/L
F- 0．5～0．8 g/L
添加剂 4．0g/L
θ 30～35℃
t 10～20min
PH值 5．5～6．5
并采用纯水来配制槽液，加工过程中注意不要带入其它杂质或其它槽内的溶液。 |
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