铝合金化学发黑工艺的研究

    1前言

    在铝合金产品应用中，黑色是一种重要的常见色调。它不仅可作大方典雅的表面装饰色，还是铝合金制备吸热材料、光学材料和零部件时必不可少的颜色。铝合金着黑色有较大的市场需求。目前铝合金着黑色多采用传统的电解着色和硬质阳极氧化着色法，耗电量大，需专用设备及工夹具，不适用于超小型工件及结构复杂的工件。采用一种化学氧化着黑色的新技术，通过两步氧化着色，得到了结合力好、耐蚀性强、颜色鲜艳美观的铝合金黑色氧化膜。

    2实验部分

    2.1实验过程

    铝合金两步法氧化发黑工艺流程：

    工件→化学脱脂→碱蚀→酸蚀出光→化学氧化→发黑→封闭→干燥→成品

    2.1.1前处理

    (1)化学脱脂

    用60～65℃碱性化学脱脂液处理工件约2 min，除去工件表面的油污，以保证碱蚀均匀，防止工件产生花斑。其脱脂液配方如下：

    NaOH5～6 S/L

    Na2CO320～25 g/L

    Na3PO4·12H2O10～15 g/L

    表面活性剂1 g/L

    (2)碱蚀

    在60℃的NaOH(ρ(NaOH)=40～50g/L)溶液中碱蚀l～2min，以除去工件表面残存的自然氧化膜及变质合金层，并调整基体表面，使之均匀一致。为了减少腐蚀过程中沉淀的氧化铝絮凝物，可采用柠檬酸铵(ρ=10g/L)作为螯合剂。(3)酸蚀出光

    用H2SO4和HNO3体积浓度分别为15～20 mL/L、3～5 mL/L的酸蚀液中和残留碱，同时溶去挂灰附着物，使工件露出光洁的活性表面。

    2.1.2氧化着色

    氧化着色分两步，第1步采用传统的铬酸盐氧化工艺，对经前处理的工件及时进行化学氧化，以免再次污染或生成新的自然氧化膜，其工艺规范如下：

    Na2CrO418 g/L

    Na2CO45 g/L

    NaOH4g/L

    Na3PO48g/L

    θ60～70℃

    t10 min

    经该步处理，可得到耐蚀性基本达标的氧化膜。

    第2步为对经氧化处理的工件着黑色。该步工艺配方采用某过渡金属化合物A为着色剂，KMnO4为氧化剂，NiSO4为催化剂，并加HNO3调节pH值为5左右。工件在80～90℃处理约8min即可。

    2.1.3封闭

    可采用水解盐法进行封闭，在已形成的发黑膜孔隙中产生氢氧化物沉淀，将微孔堵塞。经封闭可进一步提高耐蚀性，增加光泽度。水解盐法封闭工艺规范如下：

    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膜层主要性能评价指标

    因采用两步氧化成膜，该配方在较大试验范围内均可得到耐蚀性好的氧化膜，故确定正交评分及检验标准时着重选用了膜层色度、均匀度、附着力三个指标(见表1)。表中，均匀度由显微镜(100目)观察，用同样面积内膜上小坑或突起的多少计分;附着力以脱脂棉力度均匀地擦拭膜表面至露基底的次数计分。综合评分z由公式计算。

    3结果与讨论

    3.1各因素对着色效果的影响

    经初步试验，选取了影响着黑色效果的4个主要因素：着色剂A质量浓度，KMnO4质量浓度，着色温度，着色时间。采用L9(34)正交表进行正交试验优选，并固定NiSO4质量浓度为2 g/L，各配方均用HNO3)调节pH值为5。

    以正交试验的结果作极差分析，绘制极差分析图。由图可知，着色剂A用量对色度及附着力均有较大影响，用量大有利于提高膜层整体性能;KMnO4浓度有一最佳值，用量过高膜层各项指标反而有所下降;着色温度可在一较大范围内波动，易于操作控制。

    3.2最佳工艺条件

    根据正交试验极差分析结果，综合进行单因素试验的结果，得到了最佳工艺条件。

    着色剂A16～18g/L

    KMnO48～10 g/L

    NiSo42g/L

    θ80～85 ℃

    pH值4.5～5

    t8～10 min

    3.3氧化层测试结果

    以最佳工艺条件处理铝合金表面，得到了黑色鲜艳、附着力强、平整、光洁、均匀致密的黑色氧化膜，且表面无挂灰。

    由膜层表面电镜照片分析可知，其表面明显为具有高耐蚀性的非晶型结构，膜层均匀致密;由侧面电镜照片可知该膜层非常均匀，两层氧化膜结合良好。

    由电子能谱分析可知膜层主要成分为Al2O3、MnO2、NiO及另一关键着色成分，质量分数分别为25%、44.5%、13.5%、17%。

    对本试验获得的着色工件采用锉刀法评价其结合力，用扁锉呈45。由基体金属向镀层方向锉镀层的边棱，镀层未见揭起或脱落。

    4结论

    利用该铝合金化学发黑新技术对经碱性铬酸盐氧化液处理后的铝合金化学着色，得到了颜色鲜艳、结合力好、耐蚀性强、有很好的装饰及防蚀效果的黑色氧化膜。且该法耗电量低，设备简单，投资小，操作简便，便于批量生产，尤其适用于形状复杂的铝合金工件表面着黑色，具有较好的应用前景。

    

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