金屬或合金的電化學(xué)氧化。將金屬或合金的制件作為陽極,采用電解的方法使其表面形成氧化物薄膜。金屬氧化物薄膜改變了表面狀態(tài)和性能,如表面著色,提高耐腐蝕性 、增強(qiáng)耐磨性及硬度,保護(hù)金屬表面等。例如鋁陽極氧化,將鋁及其合金置于相應(yīng)電解液(如硫酸、鉻酸、草酸等)中作為陽極,在特定條件和外加電流作用下,進(jìn)行電解。陽極的鋁或其合金氧化 ,表面上形成氧化鋁薄層 ,其厚度為5~20微米 ,硬質(zhì)陽極氧化膜可達(dá)60~200微米 。陽極氧化后的鋁或其合金,提高了其硬度和耐磨性,可達(dá)250~500千克/平方毫米,良好的耐熱性 ,硬質(zhì)陽極氧化膜熔點(diǎn)高達(dá)2320K ,優(yōu)良的絕緣性 ,耐擊穿電壓高達(dá)2000V ,增強(qiáng)了抗腐蝕性能 ,在ω=0.03NaCl鹽霧中經(jīng)幾千小時(shí)不腐蝕。氧化膜薄層中具有大量的微孔,可吸附各種潤(rùn)滑劑,適合制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸或其他耐磨零件;膜微孔吸附能力強(qiáng)可著色成各種美觀艷麗的色彩。有色金屬或其合金(如鋁、鎂及其合金等)都可進(jìn)行陽極氧化處理,這種方法廣泛用于機(jī)械零件,飛機(jī)汽車部件,精密儀器及無線電器材,日用品和建筑裝飾等方面。
摘要:目前世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇仍不明朗,但光伏產(chǎn)業(yè)一枝獨(dú)秀。本文介紹了光伏產(chǎn)業(yè)鏈中太陽能鋁型材在表面處理過程中所遇到的幾個(gè)主要問題,根據(jù)作者多年的研究和生產(chǎn)實(shí)踐,分析了出現(xiàn)問題的一些原因,并提出相應(yīng)的解決辦法。
摘要:目前世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇仍不明朗,但光伏產(chǎn)業(yè)一枝獨(dú)秀。本文介紹了光伏產(chǎn)業(yè)鏈中太陽能鋁型材在表面處理過程中所遇到的幾個(gè)主要問題,根據(jù)作者多年的研究和生產(chǎn)實(shí)踐,分析了出現(xiàn)問題的一些原因,并提出相應(yīng)的解決辦法。
關(guān)鍵詞:太陽能;鋁型材;陽極氧化
為了滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求,太陽能正迅速崛起為目前可利用的能源中最可行的選擇之一。歐洲目前是全球最大的光伏發(fā)電市場(chǎng),預(yù)計(jì)到2020年,太陽能電力將滿足歐洲15%的電力需求。太陽能具有可再生和環(huán)保等方面的特點(diǎn),這種優(yōu)勢(shì)讓包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家將太陽能作為重點(diǎn)發(fā)展的新能源產(chǎn)業(yè)。中國(guó)大陸光伏產(chǎn)品主要供應(yīng)給歐美市場(chǎng),國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額很小。近年來,由于歐美各國(guó)市場(chǎng)需求的增大,我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)取得了快速的發(fā)展,最近5年的年均增長(zhǎng)速度達(dá)到40%以上。在政策進(jìn)一步加大扶持力度的背景下,未來光伏產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)前景將更為廣闊。
預(yù)計(jì)2010年我國(guó)生產(chǎn)的太陽能鋁型材總產(chǎn)量高達(dá)近50萬噸。太陽能鋁型材(通常為6063鋁合金)不同于普通的建筑鋁型材,無論是內(nèi)在質(zhì)量,還是表面質(zhì)量,一般都要求更高,特別是額外有貼復(fù)合膜要求,生產(chǎn)廠家往往因成品率不高,或時(shí)有出現(xiàn)退貨現(xiàn)象,導(dǎo)致生產(chǎn)成本難以降低。本文針對(duì)高品質(zhì)太陽能鋁型材在陽極氧化表面處理過程中所遇到的幾個(gè)主要問題,提出相應(yīng)的一些實(shí)用解決辦法,供同行們參考。
1. 存在組織條紋
我們看到的擠壓坯料表面條紋一般有二種,一種是由擠壓模具定徑帶表面粗糙或粘粒所引起的擠壓痕,這種缺陷常常在擠壓坯料階段就可見,缺陷嚴(yán)重時(shí)也有手感,其實(shí)很輕微的擠壓痕不影響美觀,經(jīng)噴砂處理或適當(dāng)延長(zhǎng)堿洗時(shí)間后也容易消除;另一種是內(nèi)在組織條紋,在擠壓坯料階段大都不能發(fā)現(xiàn),但只要經(jīng)短暫堿洗后就顯露,組織條紋通常貫串于工件的整個(gè)壁厚,因此,隨堿洗時(shí)間越長(zhǎng),往往表面條紋越明顯。
組織條紋一般由焊合不良、金屬流動(dòng)不均勻和鑄棒表皮物三種原因引起。對(duì)太陽能鋁型材在模具設(shè)計(jì)時(shí),大都將焊合線移至非裝飾面或角上,因此,太陽能鋁型材的組織條紋缺陷可認(rèn)為主要有金屬流動(dòng)不均勻和鑄棒表皮物二種原因引起。
1)金屬流動(dòng)不均勻
當(dāng)一個(gè)工件表面的對(duì)應(yīng)另一面存在厚度變化時(shí)(見圖1),在工件的擠壓過程中就容易產(chǎn)生金屬流動(dòng)不均勻現(xiàn)象,即a區(qū)的流出速度與b區(qū)存在一定差異,或受到附加拉應(yīng)力作用,或受到附加壓應(yīng)力作用。由于附加
應(yīng)力的存在,使兩區(qū)對(duì)原始晶粒的破碎情況與隨后的再結(jié)晶修復(fù)過程有所不同,繼而導(dǎo)致工件表面存在顯眼的外觀差異,即出現(xiàn)組織條紋,消除這種組織條紋主要從改進(jìn)模具設(shè)計(jì)、模具加工和模具保養(yǎng)著手。但單就擠壓坯料而言,即使是經(jīng)過時(shí)效熱處理后,也往往很難判斷該擠壓材是否存在由于金屬流動(dòng)不均勻所引起的組織條紋。如在擠壓時(shí)不及時(shí)發(fā)現(xiàn),待大量擠壓坯料進(jìn)入陽極氧化車間才發(fā)現(xiàn),那為時(shí)已晚,就會(huì)造成不可彌補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)損失。生產(chǎn)廠家比較行之有效的一種簡(jiǎn)單方法:將試?;竞细竦臄D壓坯料及時(shí)送往陽極氧化車間用堿洗法顯現(xiàn)試驗(yàn),當(dāng)確定無組織條紋后方進(jìn)行批量生產(chǎn)為妥。
2)鑄棒表皮物
擠壓鑄棒的表皮一般存在較多的氧化物,Mg2Si和AIFeSi金屬間化合物也往往偏高[1],在正常的擠壓過程中,鑄棒表皮物基本上都留在擠壓壓余內(nèi),但在下列幾種情況下會(huì)隨擠壓流入工件內(nèi):
a)鑄棒溫度低于擠壓筒溫度 相對(duì)擠壓筒溫度,如果鑄棒溫度太低,由于產(chǎn)生的摩擦力太大,會(huì)改變鑄棒表皮物的擠壓流型,導(dǎo)致表皮物通過模子后流入擠壓工件內(nèi)。表皮物常以線狀流入工件,在陽極氧化堿洗過程中,因表皮物與基體金屬存在腐蝕差異而出現(xiàn)外觀條紋。通常擠壓筒溫度取390~420℃,鑄棒加熱溫度取460~500℃。
b)鑄棒表面油污太多 鑄棒表面存在油污的多與少,一定程度會(huì)影響鑄棒表皮物的擠壓流型。油污多會(huì)使鑄棒表皮與擠壓筒內(nèi)壁摩擦力下降,在擠壓過程中表皮物的流動(dòng)趨于加快,因而容易流入工件,形成外觀組織條紋。生產(chǎn)廠家需保持鑄棒表面清潔,對(duì)表面存在較多油污的鑄棒可用一般洗潔精溶液清洗干凈。
c)擠壓筒內(nèi)壁殘留物較多 當(dāng)擠壓筒與擠壓墊間隙過大,特別是當(dāng)擠壓筒出現(xiàn)不正常鼓形現(xiàn)象時(shí),擠壓筒內(nèi)壁會(huì)余積較多鑄棒表皮物,在這種情況下擠壓工件上難免出現(xiàn)組織條紋。對(duì)應(yīng)措施:檢查擠壓筒與擠壓墊的配合尺寸是否合理;每班1~2次用清理墊處理擠壓筒內(nèi)壁殘留物;一旦發(fā)現(xiàn)擠壓筒出現(xiàn)鼓形,及時(shí)更換擠壓筒;定期對(duì)擠壓軸與擠壓筒進(jìn)行對(duì)中調(diào)整。
2. 外觀不一致
外觀的一致性主要涉及顏色、細(xì)膩度與光澤度三個(gè)問題。目前我國(guó)太陽能鋁型材表面處理工藝名目繁多,一般來說隨表面處理工藝不同,不同程度上都會(huì)對(duì)顏色、細(xì)膩度與光澤度產(chǎn)生影響。
目前國(guó)內(nèi)太陽能鋁型材的砂面處理都采用機(jī)械噴砂,當(dāng)然砂粒大小會(huì)直接影響產(chǎn)品外觀的細(xì)膩度。國(guó)內(nèi)的機(jī)械噴砂機(jī)現(xiàn)有噴鋼砂與玻璃砂兩種,兩者就光澤度而言,用玻璃砂得到的砂面比鋼砂光澤度要好,外觀顏色趨白,而鋼砂處理表面相對(duì)趨灰一點(diǎn),因而在陽極氧化堿洗時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間。一般對(duì)用玻璃砂處理的鋁型材后道堿洗時(shí)間為2~4min,對(duì)用鋼砂處理的鋁型材堿洗時(shí)間為5~8min。鋼砂處理的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)是容易消除輕微的擠壓痕,對(duì)擠壓坯料表面質(zhì)量要求相對(duì)較低。
大多數(shù)太陽能鋁型材要求≥15?m陽極氧化膜,如在陽極氧化過程中采用普通的冷封閉處理,即使在冷封閉槽液中加入一定量的乙酸鈷進(jìn)行顏色彌補(bǔ),也難免解決封閉后顏色發(fā)綠問題,歐美國(guó)家習(xí)慣視鋁型材封閉發(fā)綠為一種產(chǎn)品缺陷,因此,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)太陽能鋁型材廠家紛紛改用封閉發(fā)綠現(xiàn)象相對(duì)較輕的中溫封閉工藝。在抗熱裂性方面,中溫封閉工藝也好于普通的冷封閉。
即使是采用同樣的生產(chǎn)工藝,同一廠家生產(chǎn)出的不同批次太陽能鋁型材,也時(shí)常出現(xiàn)外觀細(xì)膩度與光澤度不一致的問題。有關(guān)這兩個(gè)問題產(chǎn)生的一些原因及解決辦法歸納如下:
1)細(xì)膩度不一致
在微觀上,鋁合金表面都是由晶粒和晶界所組成[2],晶粒大小和晶界粗細(xì)的改變即引起外觀細(xì)膩度的改變,因此,表面細(xì)膩度不一致本質(zhì)上就是表面的晶粒大小或晶界粗細(xì)不一致。人們往往青睞那些柔和、細(xì)膩的外觀,這就需要相對(duì)晶粒小、晶界細(xì)的組織結(jié)構(gòu)。為得到穩(wěn)定的晶粒小、晶界細(xì)的組織結(jié)構(gòu),主要注意下列兩點(diǎn):
a)穩(wěn)定擠壓用鑄棒的質(zhì)量 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)擠壓用鑄棒晶粒度要求≤2級(jí),鑄棒的晶粒度大小無疑對(duì)擠壓工件的晶粒大小有一定的遺傳性。對(duì)質(zhì)量要求高的廠家,擠壓生產(chǎn)應(yīng)選用均質(zhì)鑄棒,鑄棒經(jīng)過均勻化退火處理可消除鑄棒內(nèi)部組織偏析和鑄造應(yīng)力,細(xì)化晶粒,改善鑄棒下一步壓力加工狀態(tài)和最終產(chǎn)品的性能[3]。
但不要時(shí)而用均質(zhì)鑄棒,時(shí)而又用普通鑄棒,最好也不要采用多家生產(chǎn)的鑄棒,這樣因擠壓鑄棒多樣化,會(huì)導(dǎo)致擠壓坯料組織結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。
b)穩(wěn)定工件的擠壓出口溫度 擠壓出口溫度是一個(gè)非常重要的工藝參數(shù),對(duì)鑄棒加熱溫度控制和對(duì)擠壓速度控制,其實(shí),歸根結(jié)底是對(duì)擠壓出口溫度控制。擠壓出口溫度不但影響工件的機(jī)械性能,也影響著工件隨后表面處理的外觀,當(dāng)擠壓出口溫度太高時(shí),工件的粗晶現(xiàn)象就不可避免。單就擠壓坯料而言,也難判斷工件是否存在粗晶現(xiàn)象,生產(chǎn)廠家可用表面熱電偶溫度計(jì)對(duì)擠壓出口溫度進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制。
2)光澤度不一致
光澤度不一致涉及的可能原因很多,基材成分有較大差異無疑會(huì)導(dǎo)致工件光澤度不一致,一般基材的雜質(zhì)含量越高,工件的光澤度也就越低。對(duì)擠壓而言,在控制擠壓出口溫度的情況下,一般擠壓速度越快,則工件表面越光亮;擠壓后的風(fēng)冷淬火如不足,在引起再結(jié)晶晶粒粗大、強(qiáng)化相Mg2Si富集的同時(shí),也使工件表面的亮度下降。對(duì)陽極氧化而言,堿洗工藝條件對(duì)光澤度影響最大,一般堿洗速度越快,工件的光澤度越高。因此,要保持工件表面的光澤度一致,主要需要穩(wěn)定擠壓鑄棒的合金成分,穩(wěn)定擠壓速度、風(fēng)冷淬火條件,穩(wěn)定陽極氧化的堿洗速度。
3. 貼復(fù)合膜粘膠
太陽能鋁型材不同于普通的建筑鋁型材,一個(gè)附加的產(chǎn)品要求是每根產(chǎn)品需要貼復(fù)合膜保護(hù),并且要求所貼復(fù)合膜既粘合牢固,又要求待復(fù)合膜撕開后太陽能鋁型材表面不存在粘膠現(xiàn)象。這種要求對(duì)采用冷封閉工藝的廠家常常不是問題,與普通建筑鋁型材相比冷封閉工藝條件似乎不要作什么變化,但對(duì)采用中溫封閉工藝的廠家時(shí)常是一個(gè)頭痛的問題。這主要是冷封閉與中溫封閉兩者工藝的封閉機(jī)理不同,兩者需要“陳化”的時(shí)間不同。很多中溫封閉工藝使用廠家采取延長(zhǎng)貼膜前的停放時(shí)間來緩解粘膠問題,這需要車間有足夠空間與周轉(zhuǎn)車輛。江蘇江陰東華鋁材科技材料有限公司無論是按品質(zhì),還是按產(chǎn)量,是國(guó)內(nèi)公認(rèn)的生產(chǎn)太陽能鋁型材龍頭企業(yè),目前太陽能鋁型材月產(chǎn)量高達(dá)6000余噸,陽極氧化電泳材約占30%,陽極氧化封閉材約占70%(其中中溫封閉材約80%),在僅有的生產(chǎn)空間內(nèi)完成如此寵大的產(chǎn)量,往往不允許稍長(zhǎng)的停放時(shí)間,該公司靠強(qiáng)化生產(chǎn)工藝的管理,靠選用優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)原輔材料,較好地解決了貼復(fù)合膜粘膠問題。國(guó)內(nèi)典型的中溫封閉工藝條件見表1。
表1 國(guó)內(nèi)典型的中溫封閉工藝條件
工藝條件
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一般使用條件
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最佳使用條件
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Ni2+
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0.8~1.4g/L
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1.0~1.2g/L
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pH值
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5.8 ~6.5
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6.0 ~6.2
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溫度
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47~54℃
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49~52℃
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時(shí)間
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0.8 ~1.2min/?m 隨槽液的pH值與槽液溫度而變
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注:當(dāng)Ni2+缺乏時(shí)補(bǔ)加乙酸鎳,JH-200中溫封閉劑*一般按乙酸鎳加量的1:1添加
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*為中國(guó).精細(xì)化學(xué)品集團(tuán)有限公司產(chǎn)品。
為防止貼復(fù)合膜粘膠,主要應(yīng)注意如下幾點(diǎn):
1)擠壓坯料不能出現(xiàn)粗晶或粗晶帶組織
粗晶組織主要是由擠壓工件的出口溫度過高和風(fēng)冷淬火能力不夠所引起,粗晶表面往往比細(xì)膩表面更容易發(fā)生復(fù)合膜粘膠現(xiàn)象。
2)堿洗時(shí)防止出現(xiàn)表面干貼現(xiàn)象
當(dāng)堿洗槽液與處理鋁材之間的反應(yīng)速度過快(由高濃度或高溫引起),或鋁材堿洗后吊起至水洗轉(zhuǎn)移速度太慢,或堿洗槽的槽端吹風(fēng)機(jī)風(fēng)力過大時(shí),就容易出現(xiàn)處理鋁材表面干貼現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)這種現(xiàn)象,即使延長(zhǎng)后道的中和處理時(shí)間,也無法洗凈處理鋁材的表面,由此,會(huì)出現(xiàn)貼復(fù)合膜粘膠現(xiàn)象。
3)選用合適的中溫封閉劑
目前國(guó)內(nèi)的中溫封閉劑主要組分大致有二類:一類是乙酸鎳、乙酸鈉與硼酸組分;另一類是乙酸鎳、有機(jī)胺與有機(jī)溶劑組分。用于太陽能鋁型材的中溫封閉劑,不宜工藝范圍過小、封閉速度過快,不然實(shí)際生產(chǎn)操作難以控制。因?yàn)槿绻欠忾]質(zhì)量不好,當(dāng)然會(huì)貼復(fù)合膜粘膠,但當(dāng)過封閉,尤其是出現(xiàn)表面起灰時(shí),也會(huì)出現(xiàn)貼復(fù)合膜粘膠現(xiàn)象。
4)選用粘度合適的復(fù)合膜
貼復(fù)合膜粘膠問題無疑也與復(fù)合膜本身有關(guān),復(fù)合膜生產(chǎn)廠家要與太陽能鋁型材廠家協(xié)調(diào),以確定最合適的復(fù)合膜粘度。
PS:
所謂鋁的陽極氧化是一種電解氧化過程,在該過程中,鋁和鋁合金的表面通常轉(zhuǎn)化為一層氧化膜,這層氧化膜具有保護(hù)性、裝飾性以及一些其他的功能特性。從這個(gè)定義出發(fā)的鋁的陽極氧化,只包括生成陽極氧化膜這一部分工藝過程
PS:
所謂鋁的陽極氧化是一種電解氧化過程,在該過程中,鋁和鋁合金的表面通常轉(zhuǎn)化為一層氧化膜,這層氧化膜具有保護(hù)性、裝飾性以及一些其他的功能特性。從這個(gè)定義出發(fā)的鋁的陽極氧化,只包括生成陽極氧化膜這一部分工藝過程