王文杰

（中航飛機股份有限公司，陜西 西安710089）

陽極氧化是鋁合金零件的主要表面處理方法之一。硫酸陽極氧化后可通過著色提高鋁合金的耐腐蝕性。根據鋁和鋁合金的硫酸陽極氧化工藝，可以使用各種酸性染料對陽極氧化膜進行染色。為了進一步提高薄膜的耐腐蝕性和色牢度，首先應對鋁合金陽極氧化膜著色的相關工藝進行深入地分析。

1 工藝分析

1.1 鋁合金陽極氧化工藝

鋁合金的陽極氧化是是一個電化學反應過程。鋁合金零件表面經過電解液的反映能夠形成一層致密的保護膜。在鋁合金的陽極氧化過程中，這層致密的氧化膜同時經歷溶解和形成。普通的氧化電解質是酸溶液。帶電后，氫從陰極的反應板中釋放出來。鋁合金樣品的溶解會釋放氧氣，并生成氧化鋁。鋁合金的陽極氧化膜可分為兩部分：與鋁合金表面接觸的阻擋層和與外部環境接觸的多孔層。阻擋層致密且殼形薄，并且膜厚度僅占總膜厚度的約3%。在最佳狀態下，多孔層是許多具有平行孔徑和納米級的六邊形柱。薄膜中的特定電池結構如圖1所示。

圖1 薄膜中的特定電池結構圖

1.2 鋁合金陽極氧化膜著色技術

1.2.1 自然顯色過程

鋁合金零件由于表面較為光滑，對光的反射通常為鏡面反射，鋁合金陽極氧化膜的顏色受到鋁合金零件反光程度的影響。一般來說，自然顯色過程是指鋁合金氧化膜具有多孔的結構以及厚度小的特點，能夠顯示出鋁合金本來的顏色。不同于氧化鈦膜在光的干擾下的彩色原理和效果，鋁和氧之間的親和力較低，以至于氧化鋁對光的折射率不夠高，色飽和度太低，不適用于生產中對于色彩的需求。

1.2.2 鋁合金氧化膜的電解著色工藝

鋁合金氧化膜的電解著色工藝著色速度快，對多孔膜的表面吸附要求低。氧化膜的電解著色過程是競爭性釋放酸性金屬鹽溶液中氫離子和金屬離子的過程。當將要著色的氧化膜用作陰極時，溶液中的氫在帶電后與穿過阻擋層的氫分離，并且電子在鋁基與阻擋層之間的接觸界面處產生氫氣。由于金屬離子的尺寸大，因此電子在阻擋層和電解質之間的界面處獲得，并以金屬離子，金屬氧化物和金屬氫氧化物的形式存在。

1.2.3 鋁合金氧化膜的吸附著色工藝

由于鋁合金氧化膜的吸附著色工藝具有操作簡單、染色效果明顯的優勢，在工業生產上具有較為廣泛的應用前景。染色過程大致分為兩個步驟：氧化膜適當膨脹，染料擴散至氧化膜的孔內，達到染色效果。染料的類型包括酸性染料，酸性絡合物染料，酸性媒介染料，直接染料，分散染料等。吸附著色工藝的主要原理是將染料分子擴散至氧化膜孔結構之中。但是由于染料分子大于氧化膜孔的直徑，染料通常只存在于氧化膜的表面，因此在外力干擾或者使用時間過長后，吸附著色法下氧化膜的脫色缺陷較為嚴重。

2 分析鋁合金陽極氧化膜褪色的因素

1）染料濃度低，不符合工藝要求的最低濃度。

2）著色過程完成后，染料分子與空氣中的氧氣和化學物質發生反應，未做密封處理，改變了著色劑分子。

3）由于染色時間短，染料分子沒有完全擴散到孔中，導致顏色變淺。

4）氧化工藝參數不合適，漆膜質量差，吸附能力弱。

3 鋁合金陽極氧化膜褪色的解決方案

3.1 鋁合金陽極氧化工藝的優化

隨著濃度的增加，陽極氧化膜的硬度先增加，然后降低，而陽極氧化膜均勻性則線性增加。在純硫酸系統中，陽極氧化需要高溫控制，需要相關人員時刻關注鋁合金陽極氧化過程的溫度，這也致使純硫酸鋁合金陽極氧化的應用受到一定的限制。因此，在電解質中通過添加有機酸等其他化學物質的方式，可以有效改變陽極氧化反應所需要的條件，使鋁合金陽極氧化在一般溫度下就可以進行，同時也可以加快成膜速度。例如，在硫酸電解液中添加木質素磺酸鈉，能夠提高鋁合金陽極氧化的成膜率，其原理為與鋁合金的溶解產物形成絡合物，附著在鋁合金表面，加速膜的形成。作為一種新技術，涉及納米粒子的復合陽極氧化可以有效地提高薄膜的硬度。在陽極氧化過程中，析氫反應使薄膜表面的溶液pH升高，并且鋁離子水解形成膠體網絡氫氧化鋁，在粉末顆粒上具有強吸附性。

在脈沖陽極氧化過程中，主要是通過改變電流密度來提高氧化膜的性能。由陽極氧化膜質量的影響因素可知，電流密度對膜的性能具有直接影響。因此，脈沖陽極氧化技術充分利用電流的開關，聯通時間來調整電流密度，同時通過調整電流的頻率等其他參數，降低陽極氧化反應過程中熱量及能量的消耗，對于節省能耗、提高膜性能具有重要意義。多孔陽極氧化膜作為用于納米結構制造的高度有序的模板，被用于產生納米級點。在氧化的初始階段，膜的表面較為粗糙，并且經過電場和酸性電解質溶解作用的初級孔不均勻且無序。膜孔序列的破壞階段是由于氧化時間長，在電壓和酸溶液的作用下膜孔壁的溶解，使膜孔結合，破壞了孔序列。可通過兩步氧化來制備高度有序的多孔氧化物膜。陽極氧化一段時間后，在鋁合金基底上形成多孔氧化膜，并且膜孔在一定程度上自組織。由于受到電場的作用，氧化膜中的每個元胞由最初的無序排列轉為均勻分布，而在自組織過程中形成的膜孔的順序仍需改進。氧化鉻和磷酸具有較強的溶解性能，但是不會與鋁合金反映，能夠保護鋁合金基材。脈沖陽極氧化工藝需要經歷三個過程，即溶解—膜孔無序排列—膜孔自組織—形成有序、均勻膜結構。因此，通常情況下，脈沖陽極氧化工藝需要經歷一次和二次陽極氧化，如圖2。

圖2 脈沖陽極氧化工藝圖

3.2 鋁合金陽極氧化膜著色工藝的優化

優化自然顯色工藝：自然顯色工藝雖然具有簡單的操作特點，但是膜的顯色程度不足。由于鋁合金陽極氧化膜的質量與電解質溶液相關，因此，在不同的電解質溶液中，膜的性能以及膜的顯色會有明顯差異。例如：通過硫酸法制備的膜厚度相對較厚。隨著膜厚的增加，外觀顏色由透明變為黑色，膜的孔隙率高，吸附力強，有利于染色。用鉻酸法制得的膜薄而灰，質地柔軟。草酸法制得的膜為黃色或白色，隨著厚度的增加顏色為小麥色。混合酸法主要是硫酸中加入少量的有機酸，氧化膜的特性與硫酸膜相似，但透明性降低。優點是該添加劑增加了電解質的電阻并減緩了膜的脫落，從而擴大了氧化溫度范圍。草酸鉀鈦酸鉀法的陶瓷陽極氧化工藝可獲得類似于瓷器撕裂的光滑不透明的白色薄膜，具有吸附性好，染色度高的優點，在儀器，儀表和日用品領域具有廣闊的應用前景。

1）電解著色工藝的優化。當膜孔中沉積物是有色的金鹽物質或氧化物等時，陽極氧化膜對于光的反射效率會增強。著色工藝參數的變化會影響膠體顆粒的分布，使有色氧化膜在光散射和干涉疊加下會產生不同的宏觀顏色。二次電解著色過程主要是通過光的散射，并且著色效果有一定的局限性。三次電解著色過程主要是通過光的干涉。在進行電解著色之前，添加磷酸使孔擴大，從而調整阻擋層的結構。

2）吸附著色工藝的優化。染料吸附著色工藝需要高精度的染色環境。染料溶液的溫度通常需要控制在30～60℃范圍內。過低的溫度會延長染色時間，并且色彩飽和度不會達到標準。太高的溫度將加速染料中薄膜的孔擴展過程，染料分子迅速大量聚集在膜孔中，從而降低了對染色過程的控制程度。在染色過程中，交錯的洗滌步驟也是關鍵。在每個洗滌步驟之前，應對洗滌浴液的pH值進行特殊管理，以將其控制在6～8的范圍內，以適應染料敏感性。同時注意對氧化膜進行密封處理以固定染料分子，并由于預染色過程而提高膜的耐腐蝕性。

3.3 設備優化

改造鋁合金陽極氧化生產線。在傳統的鋁合金陽極氧化工藝中，硅整流器設備需要手動控制溫度，電流等，為了減少人為誤差，準確控制陽極氧化工藝參數并確保鋁合金陽極氧化膜質量可利用低紋波可控硅電源進行自動控制電流和電壓，自動顯示工藝過程曲線和槽溫，監視整個顏色過程，同時可隨時存儲和打印數據，使色彩質量控制效果更明顯；同時，定期檢查和更換夾具，確保夾緊零件后有良好通電效果。

4 結語

鋁合金陽極氧化膜褪色問題的主要是由于設備、陽極氧化工藝以及著色工藝的問題，因此，可以通過優化陽極氧化工藝、著色工藝，引進自動化設備的方式，提高鋁合金陽極氧化膜的質量，增強鋁合金的顯色程度。