CN115323460A - 一种铝型材电解着色的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝型材电解着色的方法，依次包括以下工序：阳极氧化处理工序，根据具有变化的电流密度值的电流密度由铝型材形成具有预定厚度的阳极氧化膜；电解着色处理工序，铝型材作为阴极浸渍到电解着色液中，施加脉冲电流，根据具有周期性变化的电流密度值的电流密度进行电解着色。

Description

一种铝型材电解着色的方法

技术领域

本发明涉及铝型材表面处理领域，尤其涉及一种铝型材电解着色的方法。

背景技术

铝的高温加工性能优异(可以比较容易地通过热挤压获得具有各种截面形状的型材)、重量轻、易于加工并且且耐腐蚀性良好，因此铝及其合金可以广泛应用于建材、车辆构件、家具等领域中。

铝/铝合金的阳极氧化是指铝/铝合金在电解槽液中作为阳极并在外加电压下通过电流以维持电化学氧化反应的过程，在该过程中铝/铝合金的表面转化为一层氧化膜，这层膜具有防护性、装饰性以及一些其他的功能特性。

出于在铝/铝合金的表面形成外观良好的氧化膜的目的，现有技术方案包括在铝/铝合金上进行阳极氧化处理之后进行电解着色处理。具体为：铝/铝合金进行阳极氧化处理之后生成一层氧化膜，这层氧化膜的表层为多孔结构(也被称为多孔质层)，而氧化膜的底层是致密的氧化膜薄层(也被称为活性层或阻挡层)，氧化膜的底层与基体相连接触；将阳极氧化处理之后的铝/铝合金浸入包含金属盐的电解液中并作为阴极(阳极可以采用石墨、不锈钢板等)，向铝/铝合金提供负的直流或交流来进行电解着色的，作为交流除了商用交流电之外，可以采用正弦波、方形波、三角波、锯形波或与它们类似的波形的交流电，电解着色处理也可以利用恒定电压法进行，但是从减少覆膜厚度偏差的角度讲，优选采用恒定电流法；采用恒定电流进行电解着色的过程中，电解液中的金属离子在铝/铝合金表面附近形成强烈的离子浓度差，金属离子通过多孔质层深入到活化层上并且金属离子在活性层上形成金属微粒或金属氧化物微粒，这些微粒通常呈毛发状、球状或粒状，其直径通常为

在光线作用下这些微粒会发生衍射从而赋予氧化膜各种颜色的外观。

但是，上述现有技术方案存在的技术问题为：电解着色所需时间较长，生产效率较低。因此，现有技术还有待于改进。

术语说明

如本文所用，术语阳极氧化是一种用于增大金属部件表面上的天然氧化物层厚度的电解钝化工艺，其中待处理的部件形成电路的阳极，阳极氧化增强了抗腐蚀性和耐磨性，

如本文所用，术语阳极化膜、阳极化层、阳极氧化膜、阳极氧化膜、氧化物层和氧化物膜可互换使用，并且可指代任何适当的金属氧化膜。阳极化膜在金属基板的金属表面上形成。金属基板可包括多种合适金属中的任一种。

如本文所用，术语铝型材指纯铝或铝合金构成的铝材，在一些实施例中，合适的铝合金包括1000、2000、5000、6000和7000系列铝合金。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，并提供一种形成耐候性、耐久性、外观性良好的铝型材着色阳极化膜形成方法。

本发明提供一种铝型材电解着色的方法，其特征在于，依次包括以下工序：

(A)对铝型材进行阳极氧化处理工序，阳极氧化处理工序，根据具有变化的电流密度值的电流密度由所述铝型材形成具有预定厚度的阳极氧化膜；

(B)铝型材作为阴极浸渍到含有水溶性或水分散性的含氧酸盐类的至少一种的水溶液或水分散液(即电解着色液)中，施加脉冲电流，根据具有周期性变化的电流密度值的电流密度进行电解，析出金属或金属氧化物进行着色的电解着色处理工序。

通常，在本发明的方法之前，作为预处理，利用常规方法，对铝型材依顺序进行脱脂、浸蚀和中和的表面处理。

阳极氧化处理工序中，电解槽液成分包括190-200g/L的硫酸和12-16g/L的Al³⁺，所述Al³⁺来自于含Al的无机盐，优选的，Al³⁺来自于硫酸铝。电解槽液温度为20-25℃。通过控制阳极氧化过程中的电流密度变化来修改阳极氧化膜的微孔结构，在铝型材表面形成的一层阳极氧化膜为多孔结构，该多孔结构具有多个自组织孔，孔为细长纳米级孔隙并且是高度有序的，其各自相对于阳极氧化膜的表面以垂直取向布置，并且相对于彼此等距且平行取向。这些孔包括宽部分和窄部分，并且孔的窄部分靠近阳极氧化膜的表面。

由工序(A)获得的铝型材，必须浸渍到含有从水溶性或水分散性的硫酸盐、硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、铬酸盐、钼酸盐、钒酸盐、高锰酸盐、钨酸盐和锡酸盐中选出的一种或两种以上的含氧酸盐的水溶液或水分散液中，进行电解着色处理。上述含氧酸盐还包含镍、钴、铜和锡中的至少一种。

电解着色处理工序中，通过在含有金属盐的电解着色液中向铝型材提供脉冲电流，析出金属或金属氧化物、进行着色。电解着色液的温度范围为10-40℃。所述脉冲电流为方形波，频率为4-8MHz。所述脉冲电流在一个周期T内包括向负载通高电流密度的时间t₁和向负载通低电流密度的时间t₂，满足：T＝t₁+t₂，0.7≤t₁/T≤0.9。

有益效果：本发明所提供的铝型材电解着色的方法，通过控制铝型材阳极氧化处理时所采用的电流密度，使氧化膜的孔靠近氧化膜的底层的部分孔径较大，再通过控制电解着色处理时的脉冲电流，从而增加在电解着色过程中氧化膜内的金属沉积速度，来缩短铝型材电解着色时间，达到提高铝型材电解着色生产效率的目的。

附图说明

附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为具有使用变化的电流密度形成的阳极化膜的铝型材的横截面图；

图2为阳极化工艺期间随时间变化的电流密度的曲线图；

图3为电解着色工艺期间随时间变化的电流密度的曲线图。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下描述了根据本申请的方法的代表性应用。提供这些实例的目的仅是为了添加上下文并有助于理解所述实施例。因此，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所述实施例。在其他情况下，为了避免不必要地使所述实施例费解，未详细描述熟知的工序。其他应用也是可能的，使得以下实例不应视为限制性的。

本实施例中，铝型材在电解着色前需要在硫酸溶液中进行阳极氧化处理，阳极氧化处理所采用的电解槽液可以为现有的硫酸阳极化工艺中所采用的电解槽液，出于提升阳极氧化处理效率(即在更短的时间内在铝型材表面形成目标厚度的阳极氧化膜)的观点，优选的，电解槽液成分包括190-200g/L的硫酸和12-16g/L的Al³⁺，所述Al³⁺来自于硫酸铝，并且电解槽液成的温度控制在20-25℃。

图2示出在具有变化的电流密度的阳极化工艺期间，随时间(min)变化的电流密度(A/dm²)的曲线图。在阳极化工艺期间，铝型材被放置在电解槽液中并且在施加电压时充当阳极。随着阳极化工艺将铝型材的一部分转换为金属氧化物，在不同间隔处将电压增大到高电流密度B以及减小到低电流密度A。

如图2所示，在时间间隔a期间，将电流密度从0斜升到高电流密度B；在时间间隔b将电流密度保持在高电流密度B处，在时间间隔b期间，在阳极化膜内形成的孔的宽度相对较宽；在时间间隔c期间，将电流密度减小到低电流密度A；在时间间隔d将电流密度保持在低电流密度A处，在时间间隔d期间，孔继续形成，但相对于在时间间隔b期间形成的孔具有较窄的宽度。整个阳极氧化处理的时间即为(a+b+c+d)，此时阳极化膜达到目标厚度并且阳极化工艺完成。这样，孔的宽度可随着其成形而变化，增大和减小电流密度的方式可影响所得阳极化膜中的孔的结构形状。得到的孔的结构诸如图1所示。

图1示出了根据所述实施例的具有使用阳极化技术形成的阳极化膜1的铝型材的横截面图，在阳极化工艺期间，铝型材的基板2的顶部部分被转换为金属氧化物层或阳极化膜1，从而在阳极化膜1内形成多个自组织孔3。孔3为细长纳米级孔隙，并且孔3包括宽部分31和窄部分30，孔3在阳极化膜1的顶表面10处开口并且由窄部分30的孔壁限定。孔3是高度有序的，其各自相对于顶表面10以垂直取向布置，并且相对于彼此等距且平行取向。

出现于图2中的间隔a、b、c和d的相对时间段仅仅例示出特定实施例，而未必规定其他实施例的相对时间段。例如，在其他实施例中，时间间隔a、b、c和d是相同的。

参考图2所描述的低电流密度值和高电流密度值可根据所需孔的形状和特定应用要求而变化。在一些实施例中，高电流密度B在介于约2.0-4.0A/dm²之间的范围内变化，并且低电流密度A在介于约0.5-1.0A/dm²之间的范围内变化。由于所施加的电流密度与电压相关，因此该工艺还可相对于高电压值和低电压值而变化。阳极化膜的目标厚度还可部分地根据特定应用要求而变化。在一些实施例中，执行阳极化工艺直到实现约30-50μm的目标厚度。在一些实施例中，整个阳极氧化处理的时间(a+b+c+d)为40-90min之间即实现目标厚度。

除了通过电流密度变化来控制孔形状和结构之外，还可在阳极化工艺期间通过调节电解槽液温度来控制孔密度。一般来讲，电解槽液温度越高，在孔之间形成的金属氧化物材料越薄并且孔密度越高。电解槽液温度越低，在孔之间形成的金属氧化物材料越厚并且孔密度越低。孔密度越高，孔的量越多，因此，较高的电解槽液温度有利于缩短后续铝型材电解着色时间。然而，在选择电解槽液温度时，还应考虑其他因素，诸如阳极化膜的耐久性。在一些实施例中，使用20-25℃的阳极化浴槽温度是合适的。

通过在阳极化工艺期间控制电流密度的变化和电解槽液温度，得到的阳极化膜的孔结构需要满足：孔的窄部分的最大宽度为该孔的宽部分的最大宽度的40-50％，在该范围能，能显著缩短后续铝型材电解着色时间。

需注意，在铝型材进行阳极氧化处理之前，可实施任何合适的前置和后置的阳极化工艺中的一种或多种。例如，在阳极化之前，铝型材可经历一次或多次清洁、抛光和喷砂操作。

在所述铝型材表面形成一层阳极氧化膜；将所述铝型材放入电解着色液中，进行电解着色处理。铝型材表面形成的阳极氧化膜为多孔结构，铝型材能够呈现颜色的深浅主要是取决于氧化膜的孔里面沉积金属量的多少，若在相同的电解着色时间里氧化膜的孔中沉积的金属越多，则颜色就越深，反之则越浅。

相比于现有的铝型材电解着色工艺，本发明提供的铝型材电解着色的方法，能实现在更短的时间内制备相同膜厚相同颜色的铝型材。其实现的原理为：

1.阳极化膜的孔结构的特殊结构，使得经过阳极氧化处理后的铝型材铝型材放入电解着色液中时，孔的窄部分能形成毛细现象，使得电解着色液引向孔的宽部分，孔的宽部分的孔径较大能在相同的电解着色时间沉积更多的金属；

2.电解着色工艺期间采用脉冲电流，图3示出在具有变化的电流密度的电解着色工艺期间，随时间(ns)变化的电流密度(A/dm²)的曲线图。如图所3示，在一个周期T内，时间间隔t₁期间，将电流密度保持在高电流密度B2处，在该时间期间，处于阳极化膜的孔内尤其是处于孔的宽部分内的电解着色液产生剧烈还原作用迅速产生金属沉积，同时也迅速消耗该部分电解着色液的金属离子使得金属离子浓度迅速降低；在时间间隔t₂期间，将电流密度保持在低电流密度A2处，在该时间期间，孔的宽部分内的金属离子消耗速度降低，通过孔内和孔外的金属离子浓度差以及孔的窄部分类似于毛细管的协同作用下，快速补充阳极化膜的孔内尤其是孔的宽部分内的金属离子。通过对电解着色工艺期间的电流密度进行脉冲式改变，能显著缩短铝型材电解着色时间。

出于进一步缩短铝型材电解着色时间，所述脉冲电流为方形波，频率为4-8MHz，所述脉冲电流在一个周期T内包括向负载通高电流密度的时间t₁和向负载通电流密度的时间t₂，满足：T＝t₁+t₂，0.7≤t₁/T≤0.9，高电流密度B2在介于约1.5-5.0A/dm²之间的范围内变化，并且低电流密度A2在介于约0.15-0.5A/dm²之间的范围内变化。

在一实施例中，以阳极氧化处理后的铝型材电解着黑色，电解着色液含有10-15g/L的硫酸亚锡、25-30g/L的硫酸镍和25-30g/L的硫酸镍盐，电解着色液的pH值为0.6-1.0，电解着色液的温度15-20℃。采用现有的铝型材电解着色工艺，铝型材进行硫酸阳极化后(电流密度为1.50A/dm²，阳极氧化时间为40min，阳极氧化膜厚度为20μm)，将其放入上述电解着色液中进行电解着色，将其电解着色至黑色的时间大约是20min。在其它条件相同的情况下，采用本发明提供的铝型材电解着色的方法，电解着色至黑色的时间大约是10min。本发明提供的铝型材电解着色的方法能够大大减少电解着色时间，加快电解着色铝型材的生产，提高其生产效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种铝型材电解着色的方法，其特征在于，依次包括以下工序：

阳极氧化处理工序，根据具有变化的电流密度值的电流密度由所述铝型材形成具有预定厚度的阳极氧化膜；

电解着色处理工序，所述铝型材作为阴极浸渍到电解着色液中，施加脉冲电流，根据具有周期性变化的电流密度值的电流密度进行电解着色。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化处理工序中，电解槽液的成分包括190-200g/L的硫酸和12-16g/L的三价铝离子，所述三价铝离子来自于硫酸铝，所述电解槽液温度为20-25℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化处理工序中，通过以下步骤形成所述阳极氧化膜：

在时间间隔a期间，将电流密度从0斜升到高电流密度B；

在时间间隔b将电流密度保持在高电流密度B处；

在时间间隔c期间，将电流密度减小到低电流密度A；

在时间间隔d将电流密度保持在低电流密度A处。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高电流密度B在介于2.0-4.0A/dm²之间的范围内变化，所述低电流密度A在介于0.5-1.0A/dm²之间的范围内变化。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阳极化膜内形成多个自组织孔并且孔包括宽部分和窄部分，孔在所述阳极化膜的顶表面处开口并且由窄部分的孔壁限定，孔的窄部分的最大宽度为所述孔的宽部分的最大宽度的40-50％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解着色处理工序中，通过以下步骤进行电解着色：

(a)在时间段t₁内将电流密度保持在高电流密度B2；

(b)在时间段t₂内将电流密度保持在低电流密度A2；

所述时间段t₁和所述时间段t₂构成一个周期T，重复(a)至(b)直到所述铝型材能够呈现目标颜色。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述脉冲电流的频率为4-8MHz，所述脉冲电流满足：T＝t₁+t₂，0.7≤t₁/T≤0.9。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高电流密度B2在介于1.5-5.0A/dm²之间的范围内变化，所低电流密度A2在介于0.15-0.5A/dm²之间的范围内变化。

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