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建筑铝型材宽温快速阳极氧化节能工艺及应用 ① 刘 军， 黄雪萍， 舒 辉 （广东省科学院产业技术育成中心， 广东 广州 510650） 摘 要 为解决建筑铝型材传统阳极氧化工艺能耗过大的问题，进行了宽温阳极氧化工艺试验，研究了添加剂 GYK-1 含量对阳极 氧化温度上限、阳极氧化电压及成膜速度的影响，同时探索了 Al 3＋ 浓度对阳极氧化温度上限的影响，得到最佳宽温阳极氧化工艺条 件为H2SO4浓度 160～180 g／ L，添加剂 GYK-1 用量 50 g／ L，Al 3＋ 浓度 20～25 g／ L，氧化温度 352 ℃，电流密度 150 A／ m2，氧化时间 17 min。 该节能工艺成功应用于生产，在保证氧化膜达到国家标准情况下，阳极氧化工艺温度上限从 22 ℃提高到 33 ℃，成膜速度 提高 20％，电压降低 10％，大幅度降低能耗的同时提高了生产效率，为铝型材厂节能生产提供了有效途径。 关键词 表面处理； 建筑铝型材； 阳极氧化； 宽温； 温度上限； 节能降耗 中图分类号 TG171文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253－6099.2020.04.040 文章编号 0253－6099（2020）04－0161－04 Energy-Efficient Anodizing Process with Wide Temperature Range for Architectural Aluminum Profile LIU Jun， HUANG Xue-ping， SHU Hui （Industrial Technology Incubation Center， Guangdong Academy of Sciences， Guangzhou 510650， Guangdong， China） Abstract In order to solve the problem of excessive energy consumption in the traditional anodizing process for architectural aluminum profiles， an experiment of anodizing process with wide temperature range was carried out， and the influence of the content of the additive GYK-1 on the upper limit of anodizing temperature， anodizing voltage， and film ation speed was all explored. Besides， the effect of Al 3＋ concentration on the upper limit of anodizing temperature was also investigated. Based on the studies， the optimal technique conditions for the anodizing process with wide temperature range are determined as follows H2SO4concentration of 160 ～ 180 g／ L， additive GYK-1 dosage of 50 g／ L， Al 3＋ concentration of 20～25 g／ L， the oxidation temperature at 352 ℃， the current density of 150 A／ m2and the oxidation time of 17 min. This energy-efficient process has been successfully applied to production. It is shown that this processing technique can increase the upper limit of the anodizing temperature from 22 ℃ to 33 ℃， increase the film ation speed by 20％ and reduce the voltage by 10％， which， in the meantime， can ensure the oxide film up to the national standard. It can finally greatly reduce energy consumption， but also improve production efficiency， thus providing an effective way for aluminum profile plants in terms of energy-efficient production. Key words surface treatment； architectural aluminum profile； anodic oxidation； wide temperature； upper limit of temperature； energy saving and consumption reduction 铝型材具有良好的加工性、耐蚀性和耐磨性，在建 筑行业得到广泛应用。 通过表面处理可以提高建筑铝 型材表面硬度、耐蚀性能和耐磨性能等，表面处理技术 已成为扩大铝型材应用范围的关键［1－3］。 建筑铝型材 阳极氧化传统工艺中，槽液温度必须控制在 202 ℃， 超过该温度，氧化膜会被破坏起粉，导致铝合金型材报 废。 铝合金阳极氧化是一个发热过程，如果不采取降 温措施，产生的热量会导致氧化槽液温度很快上升，因 此，为了使槽液温度控制在 202 ℃，传统工艺必须开 启冷冻机使冷却系统水温保持在 5～10 ℃，能耗较大。 ①收稿日期 2020－02－19 作者简介 刘 军（1967－），男，湖南宁乡人，工程师，主要研究方向为金属表面处理。 通讯作者 黄雪萍（1983－），女，广东河源人，工程师，硕士，主要研究方向为精细化工。 第 40 卷第 4 期 2020 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №4 August 2020 建筑铝型材宽温阳极氧化工艺中，槽液温度上限 可以提高到 35 ℃左右，因此可以大大节省冷却系统能 耗，该节能工艺的研究及应用已成为目前研究热点之 一，然而目前建筑铝型材行业通过改变阳极氧化工艺 参数提高阳极氧化工艺温度上限的报道较少［4－5］。 本 文选取 6063-T5 建筑铝合金型材为研究对象，在传统 硫酸阳极氧化工艺基础上加入添加剂 GYK-1，研究添 加剂 GYK-1 含量对阳极氧化工艺温度上限、阳极氧化 电压及成膜速度的影响，试图探索出一种能适应工业 生产的建筑铝型材宽温快速阳极氧化节能工艺，为铝 型材厂提供一种节能途径。 1 实验材料及方法 1.1 实验材料 实验试片为常用的 6063-T5 建筑铝合金型材阳极 氧化前坯料。 1.2 工艺流程 阳极氧化工艺采用建筑铝合金型材阳极氧化常用 工艺，流程如下脱脂→水洗→碱蚀→水洗→水洗→出 光→水洗→阳极氧化→水洗→水洗→电解着色→水洗 →水洗→封孔→水洗→水洗→风干。 具体工艺参数如下 1） 脱脂。 在质量浓度 150 g／ L 的 H2SO4溶液中 常温处理 3～5 min。 2） 碱蚀。 碱蚀溶液为 45 g／ L 的 NaOH ＋ 20 mL／ L 的碱蚀添加剂 GYE-2。 碱蚀处理温度 40～60 ℃，时间 5～8 min。 3） 出光。 在质量浓度100 g／ L 的 HNO3溶液中常 温处理 1～2 min。 4） 阳极氧化。 溶液为 180 g／ L 的 H2SO4＋ 20 g／ L 的 Al 3＋ ＋GYK-1（根据实验要求调整）。 电流密度 150 A／ m2，氧化时间 20 min，阴极材料为锯齿状纯铝板，温 度根据实验要求调整。 5） 电解着色。 着色溶液为 10 g／ L 的 SnSO4 ＋20 g／ L 的 H2SO4＋20 g／ L 的电解着色添加剂 GYZ-2。 常 温，交流电压 18 V，着色时间 3 min。 6） 封孔。 常温封孔剂GYS-3 用量5 g／ L，pH＝6.0～ 6.5，常温，时间 12 min。 1.3 阳极氧化温度控制 根据实验要求的氧化槽液温度，通过阳极氧化槽 底部的不锈钢管分别通入冰水、自来水或热水调节槽 液温度。 氧化过程中通压缩空气搅拌。 1.4 实验过程判定标准以及适宜工艺参数的确定 所有试片在经阳极氧化、电解着色、封孔、风干后， 观察膜层是否起粉（或者氧化膜还没有起粉，但已经 变得不透明或灰色时也判断为起粉），并与未添加 GYK-1 的基准试片比较着色效果、外观质量，最终优 化出 GYK-1 用量、允许温度上限、氧化时间范围等适 宜工艺参数。 1.5 氧化膜膜厚测定 采用 QuaNix 4500 涡流测厚仪测定氧化膜厚度。 2 实验结果与讨论 2.1 GYK-1 用量对阳极氧化温度上限的影响 阳极氧化宽温添加剂 GYK-1 主要由有机和无机 两大组分复配而成，其中有机组分主要是络合剂、表面 活性剂，无机组分主要是导电盐等，三者构成比例约为 2∶1∶1。 GYK-1 可在氧化膜表面形成吸附层，具有隔离 溶液的效果，减缓硫酸对氧化膜的溶解，使氧化膜成长 速度提高。 GYK-1 的络合作用使溶液中的 Al 3＋ 形成络 合物，当氧化膜表面 H＋浓度较高时，能离解出 Al 3＋ ，提 高膜表层溶液的 Al 3＋ 浓度，抑制氧化膜的溶解速度，提 高氧化膜被硫酸溶解破坏（起粉）的温度上限，即提高 阳极氧化工艺温度上限。 固定 H2SO4浓度 180 g／ L、Al 3＋ 浓度 20 g／ L、氧化 时间 20 min、电流密度 150 A／ m2，GYK-1 用量对阳极 氧化温度上限的影响见图 1。 GYK-1用量／g L-1 ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■■ 40 37 34 31 28 25 22 01530456075 温度上限／℃ 图 1 GYK-1 用量对阳极氧化温度上限的影响 由图 1 可知，当溶液中不含 GYK-1 时，阳极氧化 允许温度上限为 23 ℃。 随着 GYK-1 用量增加，首先 温度上限提高较慢；当 GYK-1 用量达到 25 g／ L 后，温 度上限提高较快；当 GYK-1 用量达到 50 g／ L 时，温度 上限提高到 37 ℃；再继续增大 GYK-1 用量，温度上限 变化不大。 综合考虑，GYK-1 适宜用量为 50 g／ L。 2.2 GYK-1 用量对阳极氧化电压的影响 相同条件下，GYK-1 用量对阳极氧化电压的影响 见图 2。 261矿 冶 工 程第 40 卷 GYK-1用量／g L-1 ■■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■■ 17.5 17.0 16.5 16.0 15.5 14.5 01530456075 电压／V 图 2 GYK-1 用量对阳极氧化电压的影响 由图 2 可知，随着 GYK-1 用量增加，阳极氧化电 压逐渐降低，即电耗减少。 GYK-1 用量较低时，电压 下降较慢；当 GYK-1 用量超过 10 g／ L 后，电压下降较 快；当 GYK-1 用量达到 60 g／ L 时，电压降至 14.9 V；再 继续增加添加剂，电压变化不大。 2.3 GYK-1 用量对阳极氧化成膜速度的影响 相同条件下，GYK-1 用量对阳极氧化成膜速度的 影响见图 3。 GYK-1用量／g L-1 ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■■ 14 13 12 11 10 01530456075 平均膜厚／μm 图 3 GYK-1 用量对阳极氧化成膜速度的影响 从图 3 可以看出，随着 GYK-1 用量增加，平均膜 厚逐渐增加。 因 GYK-1 中的表面活性剂在铝合金阳 极氧化过程中吸附在阳极表面，形成了一层薄薄的吸 附膜，随着添加剂浓度增加，表面活性剂在氧化膜表面 的吸附愈来愈多，甚至覆盖在整个阳极表面上，从而阻 碍了电解液对阳极表面氧化膜的溶解，提高了氧化膜 的成膜速度。 但表面活性剂在氧化膜表面的吸附增加 到一定程度后，并不能无限制阻碍电解液对阳极表面 氧化膜的溶解，当 GYK-1 用量增加到 50 g／ L 时，平均 膜厚 13.5 μm，比不加 GYK-1 时的膜厚增加约 20％；之 后再继续增加添加剂，平均膜厚增加不明显。 因此， GYK-1 用量取 50 g／ L。 实验发现，氧化膜平均膜厚达到 10 μm 所需的阳 极氧化时间可缩短20％（16 min），在降低能耗的同时， 提高了生产效率。 2.4 AI 3＋ 浓度对氧化温度上限的影响 在建筑铝型材阳极氧化工艺中，Al 3＋ 浓度对氧化 温度上限的影响十分明显。 一方面，阳极氧化溶液中 若没有 Al 3＋ ，难以获得正常的膜层厚度，膜层的耐蚀性 和耐磨性也差。 另一方面，由于硫酸对氧化铝的溶解 作用，Al 3＋ 在阳极氧化溶液中不断积累。 过多的 Al 3＋ 使氧化槽液导电性能下降，引起电压升高，电能消耗增 大，同时氧化膜透明度下降，出现条纹、斑痕等不均匀 现象，甚至可能出现膜层烧伤和封闭后变黑等现象。 固定 H2SO4浓度 180 g／ L、GYK-1 用量 50 g／ L、氧 化时间 20 min、电流密度 150 A／ m2，Al 3＋ 浓度对阳极氧 化温度上限的影响见图 4。 Al3浓度／g L-1 ■■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 36 34 32 30 28 26 24 202224262830 温度上限／℃ 图 4 AI 3＋ 浓度对阳极氧化温度上限的影响 建筑铝型材传统阳极氧化工艺中一般控制 Al 3＋ 浓 度 15～20 g／ L。 由图 4 可知，随着 Al 3＋ 浓度增加，氧化 温度上限首先缓慢下降；当 Al 3＋ 浓度达到 25 g／ L 后， 氧化温度上限下降较快。 为避免频繁更换氧化槽液， 控制经济成本，建议 Al 3＋ 浓度控制在 20～25 g／ L。 2.5 优化工艺参数 综合以上实验数据，优化出建筑铝型材宽温阳极 氧化适宜工艺条件为H2SO4浓度 160～180 g／ L，Al 3＋ 浓度 20～25 g／ L，GYK-1 用量 50 g／ L，温度 352 ℃，电 流密度 150 A／ m2，氧化时间 16 min。 3 生产应用 实验室中阳极氧化可以采取恒电流控制，精准地 将氧化电流密度控制在 150 A／ m2，但在绝大多数生产 厂家，现场操作人员不可能精确计算每一挂氧化料面 积，实际都是采取恒压控制，因此使得实际生产中电流 密度基本上在 120～180 A／ m2范围内变化。 在实验室优化出的节能工艺基础上，充分考虑生 产实际中电流密度变化大、铝型材形状和结构复杂等 各种因素，需适当降低阳极氧化温度上限、增加氧化时 361第 4 期刘 军等 建筑铝型材宽温快速阳极氧化节能工艺及应用 间和电压。 本研究优化出的节能工艺在山东某铝型材厂实施 工业应用，每吨铝材的 GYK-1 消耗量为 5.0 kg。 阳极 氧化具体工艺参数为H2SO4浓度 160～180 g／ L，GYK-1 用量 50 g／ L，Al 3＋ 浓度 20～25 g／ L，温度 30～33 ℃，电 压 15 V，时间 17 min。 按此工艺生产，对该厂产品抽 检，按 GB／ T 5237.22008［6］中 AA10（16 h）标准规定 进行 CASS 实验，测试阳极氧化膜耐蚀性，检测结果均 为 9～10 级，均为合格；按标准规定进行落砂实验，测 试阳极氧化膜耐磨性，检验均为合格。 宽温阳极氧化工艺温度上限为 33 ℃，一般控制在 30～33 ℃，只要冷却系统的冷却水温度保持在18～25 ℃ 就可以实现槽液温度控制。 当地气温在 18 ℃以下时， 不需要开启冷冻机，通过冷却塔就可以使冷却水池温 度保持在 18～25 ℃（只有当冷却水温度超过 25 ℃时 才开启冷冻机），因此可以大大节省冷冻系统能耗。 该厂氧化生产线全年节省电耗 3 264 512 度，按相 关资料数据（每消耗 1 000 度的电能，就相当于排放了 0.785 吨二氧化碳）计算，采用宽温阳极氧化节能工艺 后，该厂每年可减排二氧化碳 2 562 吨左右，节能减排 效果明显。 该厂一条年产 10 000 t 铝型材的阳极氧化生产线 使用以上节能工艺，一年节省费用（节省的电费扣除 化学药品配槽及消耗费用）约 90.7 万元（（626－547） 12 752－100 000＝907 408），具有良好的经济效益。 使 用该工艺前后能耗及综合成本对比见表 1。 表 1 山东某铝型材厂使用该工艺前后能耗及综合成本对比 时间 年产量 ／ t 用电量 ／ （kWh） 吨电耗 ／ （kWht －1 ） 节省电量 ／ （kWht －1 ） GYK-1 配槽 ／ 万元 GYK-1 消耗 ／ （元t －1 ） 综合成本 ／ （元t －1 ） 年节省成本 ／ 万元 使用前10 5368 249 6887830006260 使用后12 7526 720 3045272561012554790.7 4 结 论 1） 优化实验得到适宜建筑铝型材宽温快速阳极氧 化节能工艺条件为H2SO4浓度 180 g／ L，GYK-1 用量 50 g／ L， Al 3＋ 浓度 20～25 g／ L，温度 30～33 ℃，氧化电压 15 V，氧化时间 17 min。 2） 采用以上节能工艺条件进行建筑铝型材宽温阳 极氧化，氧化槽工艺温度上限由 22 ℃提高到 33 ℃，大 大降低了冷冻系统能耗；氧化槽电压降低 10％、阳极氧 化时间节省 20％，进一步降低了阳极氧化能耗，提高了 生产效率；同时，氧化膜耐蚀性、耐磨性均能达到相应国 家标准。 3） 该节能工艺是一种可行的建筑铝型材宽温快速 阳极氧化节能工艺，其应用具有良好的经济效益和社会 效益。 参考文献 ［1］ 张燕斌，王荣华. 建筑铝型材的表面阳极氧化与耐热性能研究［J］. 铸造技术， 2012，37（8）1567－1571. ［2］ SAE AMS G-12， Modified Cadmium Plate Cyclic Corrosion Test， Aero- space Materials Specifications［S］. ［3］ Shi X M. 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