一種環保節能的標牌制造方法

沈陽市標牌制造廠 祁伯偉

一種環保節能的標牌制造方法

沈陽市標牌制造廠 祁伯偉

沈陽市標牌制造廠是40年前由沈陽機床集團前身（沈陽第一機床廠）支援下組建的一所校辦工廠，在過去的40多年中，主要產品是機床或機械設備的金屬凸凹面板、銘牌。伴隨國家機器制造業的高速發展，各種機器設備技術性能和科技含量不斷提高，國際市場所占份額不斷增大，機器制造業的強國地位不斷提高，陳舊的腐蝕噴沙工藝與國際通行的節能、環保、低碳的要求不相適應，國際的環保、節水也要求我們必須走先進國家的陽極氧化工藝。

為此沈陽市標牌制造廠多年前到日本與世界機床行業排頭兵——日本馬扎克機床配套的標牌生產廠家進行過交流學習，看到世界頂級機床配上他們生產的各式鋁質陽極氧化標牌很協調高檔，他們生產環境在日本那樣環保要求非常嚴格的標準下，各項環保指標均達標，當時大家的印象是生產工藝簡捷、生產環境優雅、產品高檔，回頭看當時他們在環保節能、低碳方面已做的非常好了，值得我們學習。

回來后，機床一廠領導也支持盡早生產出日本馬扎克機床的標牌，當時材料和技術的不熟練，產品質量總是不十分理想，但對馬扎克機床標牌的生產始終沒停過。隨著近年來國家對東北工業振興力度的加大，機器制造廠家要求生產出世界一流的標牌配套產品。在同行的大力協助下，終于掌握并生產出馬扎克機床標牌的合格產品，現將心得經驗與大家交流以待提高。

鋁的陽極氧化工藝雖有幾十年歷史，但在當今仍是一項很有前途的技術，應用廣泛，尤其在標牌制造上，它節能、環保、低碳，適合大批量生產。

目前情況下，沈陽標牌制造廠借鑒國內外先進生產企業的技術成果，獨立走出了一條自己的生產路線，其工藝技術如下：

1．鋁材選擇

2．堿腐蝕去灰

3．硫酸陽極氧化

4．水洗

5．染料上色

6．封閉

我們把堿腐蝕與去灰歸為：表面前處理。以上工藝過程對于不同類型的陽極氧化，工藝過程是可以變動的。陽極氧化工藝的正確選擇是著色成功、生產合格標牌的前提。下面把生產這六個環節做單獨介紹。

一、鋁材的選擇

鋁氧化及二次氧化標牌，鋁材是關鍵。盡管技術要求要使用純鋁，事實上所有鋁的板材商品都是合金鋁，適合生產標牌的合金鋁牌號有：1090、1080、1050、1030等，5052、6063牌號鋁材也可以。沒有牌號的冷軋鋁板是生產不出高檔氧化標牌的。

二、鋁板的前處理

這道工藝的目的是為下步陽極氧化做好準備，要求處理后的鋁板表面沒有油跡、劃痕、手印、氧化膜。實際上要求鋁板的表面沒有殘留的痕跡是不可能的，但痕跡的高低差應該在40μm以下，這種表面的粗糙度能夠用指尖或指甲觸摸感到，越過這個數值過度粗糙的鋁板一般視為不合格。

堿蝕液使用20%NaOH水溶液，溫度50℃，時間2～5分鐘左右，堿蝕處理時間延長或溫度升高是減輕鋁板表面劃痕的補救措施。如生產高反射表面氧化產品，就要使用弱堿性的，如碳酸鈉、磷酸鈉等弱堿配方。

堿蝕處理后，因為鋁被擇優溶解，銅、硅、鐵這些不溶解的成分會留在鋁板表面，形成肉眼可見的黑灰，通常稱之為灰。除去這層灰是用15～20%的常溫硝酸溶液處理，用氧化廢硫酸液處理更好，只是處理時間要長，并在硫酸槽中適當加氧化劑。處理后的鋁板要求洗凈后不允許有硝酸殘液帶到下一道工藝。

三、氧化工序

鋁板的陽極氧化是生產高質量氧化標牌的核心環節。沈陽標牌制造廠采用直流低壓電源，硫酸氧化槽液配方，采用190g/L，槽溫20℃，電流密度1.2A/dm2，水循環冷卻液流攪拌。

鋁氧化標牌的色澤，一般都是用有機染料染色，凸凹標牌還需進行二次氧化處理，所以每次氧化所用的氧化時間、電流要有所不同：一般頭次氧化時間要短，二次氧化時間要長。在氧化工序中，至關重要的環節是電流節點的處理，即夾持鋁件夾具與電源導電銅梁的連接。從電源到氧化件，應該注意兩個重要的活動電節點。

1．電源銅梁與夾具座盡可能要“面接觸”。如果這個位置的連接只是點接觸或線接觸，那在大電流通過時，就會發熱，造成電流的無效率損耗。減少用在鋁板上的有效氧化電流。為了保持良好的接觸，采用夾緊型電接觸裝置，銅材為接觸點是最好的選擇。

2．夾具與鋁板的接觸采用專用的鋁夾具，夾具與鋁板之間要保持5kg/mm2的壓力，如遇特殊形狀鋁件，可采用鈦夾具，鈦夾具的接觸力可達到20kg/mm2。

采用鋁質的固定夾具應注意鋁夾具的堿蝕而引起的松動。嚴格認真的鋁板前處理及通暢的夾具節點電流是生產鋁氧化標牌的關鍵。氧化槽陰極采用鉛板，陰陽極比為1:1.5。生產陽極氧化標牌，淺色調的氧化膜厚要達到6～9μm，黑色15～20μm，陽極氧化膜的厚度可由槽液的電流和時間控制。

一般情況下生產硫酸陽極氧化膜的厚度，按下式計算：

膜厚(μm) = 0.3(系數)×電流密度(A/dm2)×時間(min)

例如：要生產17μm膜厚，電流為1.2A，其所用時間為：時間(min) =17/(0.3×1.2)=47(min)，即需要47分鐘。

四、水洗工序

鋁陽極氧化工藝各工序之間的水洗看似簡單平常，實際上此工序非常關鍵。鋁板作為陽極進行電化學氧化，會在鋁的表面生成陽極氧化膜，這個氧化膜是非常規整的，所謂蜂窩狀結構，即六角形結構，其中心有一個與鋁基體表面垂直的小直徑的微孔。對鋁材進行陽極氧化處理后，生成多孔型陽極氧化膜，這層氧化膜的特點是透明的、非導電體、高硬度約為HV230，這層氧化膜的化學組成為Al2O3，在70℃以上的水溶液中，氧化膜吸收結晶水，體積膨脹，這些特性使鋁材在電子、新能源、建筑、裝飾各領域有著不可替代的重要作用。氧化標牌的染色和封閉就是使染料的顆粒進入到氧化鋁的小直徑的微孔中，進而封閉住里面的特性。

如圖所示，硫酸氧化鋁膜微孔直徑約12nm（納米），染料顆粒直徑在1.5～3nm，鋁材陽極氧化膜的微孔可認為是底部封閉的毛細管，這些微孔垂直于基體金屬表面。陽極氧化后，微孔被陽極氧化液和陽極氧化過程中生成的鋁鹽充滿。這些殘留在微孔中的硫酸與鋁鹽不易排除。外表的水洗很難除去微孔中的物質。

溶液中物質的移動只有兩種方法，即對流和擴散形式，在對流過程中，全部溶液包括溶解的物質一起移動，攪拌、沖洗就是對流的一種形式。擴散過程的驅動力是化學濃度的梯度。

在微孔中充滿殘留溶液的情況下，微孔內的溶液是完全不能夠攪拌的，因此擴散過程是去除微孔中硫酸和鋁鹽的唯一方法。水洗的作用只限于確保微孔以外的硫酸與鋁鹽的濃度盡可能的低，以增大微孔中驅動擴散的濃度梯度。

氧化結束后，水洗一般采用多級水洗至少要5分鐘。氧化后的水洗方式、質量直接關系到下道工序的染色、上色質量及氧化標牌的內在質量。

五、染色

氧化鋁的染色是有機染料分子擴散而滲透進入到氧化鋁細小直徑的微孔中的過程，需要嚴格按照染料廠家規定的操作條件去做。一般廠家規定：染料的水溶液的PH值在5.0～6.0，溫度50～60℃（有時常溫也可），一般淺顏色含量在2～5g/l，顏色深淺由氧化膜的厚薄決定。

溶解染料需用純水，并先用少量加熱充分溶解染料，待充分溶解后，再用水調到需要的濃度。有機染料有水溶型或溶劑型，與別的著色方法不同。

用有機染料染色可獲得顏色艷、品種繁多的色調。有機染料的缺點是耐光性差，不適合在室外使用，因此特殊要求的標牌產品在染料的選擇上，特別要注意。染色時間一般為30分鐘，溫度高時可縮短時間。只要上道氧化工序不出問題，鋁氧化膜上色是很容易的。

六、封閉

氧化膜的封閉是一道不可缺少不能大意的工序。氧化膜在70℃以上水溶液中，吸收結晶水后體積膨脹2～3倍，從而導致微孔封閉。

反應式如下：

γ-Al2O3→γ-Al2O3?2H2O或γ-Al2O3?3H2O

鎳鹽封孔處理能顯著提高陽極氧化膜的性能，沈陽標牌廠采用濃度5～7g/L，溫度80～90℃，時間＞5min，PH=5.3～5.8的工藝條件，具體時間由2min/μm計算。

封閉方式很多，有常溫、低溫等工藝，在實踐中獲得的數據是最好在高溫下進行，這樣可以最大限度減少浮色和標牌抗腐蝕性能。生產陽極氧化標牌占據多、快、好、省、低碳、環保、節能的優勢。

在應用照相腐蝕法生產標牌的企業中，沈陽市標牌制造廠是唯一一家通過環保達標的工廠，只要對所確定的陽極氧化工藝做到心中有數，操作時，嚴格按工藝要求做，就能生產出合格的、達標的氧化標牌。

舉例說明：下面要生產一種鋁質二次氧化標牌，圖紙要求：圖形、文字黃色凸起，底凹下要求黑色的產品。

制造工藝如下：

一個黃字及圖形且凸起，底面是黑色凹下的產品，按照選擇的工藝分析這道工序要點，黃色部分氧化膜定為7μm即可，黑底要凹下17μm。

先將表面處理過的鋁板下槽氧化20min，洗凈，染黃色，晾干后按圖紙要求制作網版，用透明耐酸堿油墨印上圖形，圖形部分上墨，烘干后放入堿蝕液中，堿蝕40℃時，2分鐘左右，堿蝕深度在40μm以上。這時上透明油墨部分呈黃色，沒被堿蝕，沒上墨部分黃色被堿蝕掉，并被堿蝕刻凹下40μm，如黑底要砂面工藝，此時還要下到砂面劑中1min。

洗凈后二次進氧化槽氧化50min，膜厚達到17μm后染黑色，封閉，即成成品。