铝及铝合金导电氧化浅谈

铝和铝合金导电氧化工艺的研究与应用摘要：铝及铝合金化学氧化后涂漆，可大大提高基体与涂层的结合力，并增强铝材的抗蚀能力。常规的铝阳极氧化膜由于表面电阻大而无法满足产品的电磁屏蔽性能要求。为提高铝氧化膜的电磁屏蔽性和耐蚀性，提出了一种铝合金导电氧化工艺。介绍了其原理、工艺流程及工艺维护，测量了所得膜层的外观、导电性和耐蚀性。结果表明，该工艺所得氧化膜无色透明、导电性好，且具有一定的耐蚀性。关键词:铝铝合金氧化导电一、前言：铝及铝合金具有质量轻、易于加工、装饰性好等优良性能。但未经防护处理的裸铝耐蚀性差、表面硬度低，磨损后表面产生一层黑灰，所以通常采用阳极氧化对铝材进行防护处理。阳极氧化是在通电的情况下，把铝制零件放入电解槽中，零件作阳极，不锈钢作阴极，在零件表面产生一层较致密的氧化铝膜层。阳极氧化膜虽然防护性好、耐磨损，但其电阻高，不导电。科技的快速发展使集成电路广泛用于各个领域中，集成电路与晶体管相比虽然有体积小、效率高等优点，但却存在抗干扰性差的致命缺点，这种缺点使得产品的稳定性和可靠性严重下降。因此在电子产品设计中，往往要求盛装集成电路的外壳机箱整体有良好的导电性。铝及铝合金经导电氧化工艺后所获的氧化膜具有导电性能，这是其特有的性能，而且膜层的防护与装饰性能良好。铝及铝合金导电氧化工艺操作简便，无需专用设备。近年来，有关导电氧化膜层易于吸附有机涂料结合力良好得到进一步认识，因而在油漆和电泳涂料基底的应用也逐步开展。下面简述工艺全过程。二、原理铝及铝合金的表面处理工艺有阳极氧化和化学氧化，化学氧化膜导电，但通常呈彩虹色，影响产品美观。我们在化学氧化工艺的基础上进行摸索，成功研制出导电氧化处理工艺。该工艺是将铝件放在含有铬酐、磷酸的酸性溶液中化学处理，获得一层导电性良好又有一定防护性能的透明保护膜。铝成膜反应式为:Al+CrO3+2H3PO4→AlPO4+CrPO4+3H2O三、前处理（1）除油铝在空气中极不稳定，易生成用肉眼也难以识别的氧化膜。由于铝件加工工艺的不同铸造成型，或是由延压板材直接剪切而成，或是机械精细加工成型，或是经不同工艺成型后又经热处理或焊接等等，经上述不同的加工工艺，工件表面会留下不同状态、不同程度的污物或痕迹，在前处理工序中必须根据工件表面的实际情况选择前处理的工艺方法。精细加工件在前处理工序中需要注意的问题:精细加工件虽然表面的自然氧化膜才初生成、较易清除，但细腻重，特别是孔眼内及其周围(因机加工过程中润滑需要而添加的)，这类工件必须先经有机溶剂清洗，若直接用碱洗不但油腻重难以除净，且精细加工面承受不了长时间的强碱腐蚀，结果还会影响到工件表面的粗糙程度和公差的配合，最终成为废品。铸造成型件在前处理工序中需要注意的问题:铸造成型件并非所有表面都经过机械加工的，未经机加工的表面留有浇铸过程中形成的过厚氧化层，有的还夹有砂层，一般情况下，机加工或喷砂方法先除去这一部位的原始氧化膜，或是经碱洗后再加工，只有这样才能既除净未加工部位的原始氧化层，又避免机加工部位公差尺寸的改变。经过热处理或焊接工艺的工件在前处理工序中需要注意的问题，按工艺要求，工件转入热处理或焊接工序之前需经有机溶剂清洗，除净表面油污，但目前一般做不到这一点，故工件表面形成一层油污烧结的焦化物，这层焦化物在有机溶剂中难以除净，若浸泡在碱液中会引起局部腐蚀，产生麻点或造成凹凸不平，严重影响产品质量。用浓硝酸浸泡的方法来松软这层焦化物，待焦化物松软后在碱液中稍加清洗即能彻底除净。有机溶剂除油油污不太严重的可采取在溶剂中短时间浸泡;油污严重的应采取用棉纱蘸溶剂揩擦，或用鬃刷刷洗。操作中要注意安全，用后剩余溶剂要妥善保管好。（2）晾干无论采用何种有机溶剂的清洗方式，晾干工序决不可省略，否则将会失去清洗意义。（3）绑扎①绑扎用的材料宜选用铝线，禁用铜线和镀锌铁线，可用退去锌层的铁线。②稍大件的单件绑扎为好，尽可能绑在离零件边沿最近的孔眼中，以减少对工件表面的影响。③不同种工件不宜同绑于一串中，因不同成分(牌号)的铝材氧化处理时间是有所区别的。④注意所绑扎的工件悬空时的方向，要避免凹入部位因朝下而产生窝气四、工艺流程工艺流程如下：铝合金零件→常温除油→水洗→碱液腐蚀→精蚀→水洗→硝酸(1∶1)酸洗→水洗→化学导电氧化→水洗→封闭→水洗→纯净水洗→干燥。经前处理后要立即转入氧化工序，以防因工件在大气中搁置过久而又生成自然氧化膜而影响氧化层的质量。再度浸泡在清水中虽优于曝露在大气中，但也不宜浸泡过久。氧化过程中溶液的温度是至关重要的工艺条件，溶液温度过高，成膜速度加快，氧化膜容易出现粉化;溶液温度过低，成膜速度缓慢，所生成的膜色调偏淡，附着力差。在同一型号铅材为求得表面基本一致的色彩，应在同一溶液温度下处理同样时间。在一定的范围内温度与时间成反比，即溶液温度越高，所需时间越短，反之所需时间越长。铝材纯度越高所需的氧化处理时间越长。氧化处理时间不足，生成的氧化膜过于浅淡;铝材纯度低，氧化时间缩短，否则氧化膜显陈旧，甚至影响膜层的导电性能。为了获得均匀的氧化膜色彩，小件氧化时可在溶液中多晃动，大件可采取搅拌溶液或静处理(不搅拌溶液、不晃动工件)，以防工件的边缘部位与溶液的交换机会比工件的中心部位增多而产生不均匀的氧化膜色彩。五、后处理（1）循环水冲洗对于有盲孔、狭缝的工件要加强对这些部位的冲洗，并甩净里面的残留溶液，以防氧化溶液流出来氧化面受破坏。（2）热水冲洗热水洗目的是老化膜层。但水温和时间要严格控制，水温过高膜层减薄，颜色变淡。处理时间过长也会出现上述类似问题，适宜的温度和时间是:温度40～50℃时间015～1min（3）干燥干燥方法以自然晾干为好，经热水冲洗过的工件斜挂于架子上，让工作表面的游离水以垂直方向向下流。流至下端角边的水珠用毛巾吸去，按此法晾干的膜层色彩不受干扰，显得自然。（4）老化老化方法可根据气候条件来决定，有日光的夏季可在日光下曝晒，阴雨天或是冬季可用烘箱烘烤，工艺条件是:温度40～50℃时间10～15min（5）自检工件经循环水冲洗后宜即自检质量，如发现有缺陷的可在碱液中退除，出光后重新氧化。不合格导电氧化膜件宜在干燥、老化工序之前先挑出来。若干燥、老化后膜层较难退除并会影响工件表面的粗糙度，经多种方法试验，发现采用下列方法效果很好，方法简单。又不影响工件表面质量，具体过程如下:首先将不合格的工件夹在铝阳极氧化用的夹具上，然后按铝在硫酸溶液中的阳极氧化方法进行阳极处理2～3min，待膜层松软、脱落，再经碱液稍加清洗及硝酸出光后即可重新进行导电阳极化。。对于膜层形成时间超过3h或经烘干过的膜层，可先在碱性化学除油槽中浸泡100min左右，再于1∶1硝酸中退除。对于已老化后处理过的不合格膜层，在退除时为了不影响工件的表面质量，郑瑞庭推荐的具体过程如下:首先，将不合格的工件夹在铝阳极氧化用的夹具上，然后按铝件在硫酸溶液中的阳极氧化方法进行阳极处理2～3min，待膜层松软、脱落，再经碱液稍加清洗及硝酸出光后，即可重新进行导电化学氧化，铝及铝合金导电氧化是一项很有应用前景的工艺，该工艺操作简便，生产成本低廉，所获膜层除特有的导电性能之外，还可用于工件的防护与装饰，色彩比锌层彩色钝化膜雅致，具有较浅且均匀的细纹彩虹，是有推广价值而尚未被广泛认识的涂覆工艺。不合格件的返修：工件经化学导电氧化和流动水清洗后，宜即自检质量，如发现有缺陷的工件可在碱性化学除油槽中退除，出光后重新氧化。对于有精度尺寸要求的，可在下列溶液中退除:CrO312～20g/LH3PO4(85%)35～40mL/L温度70～90℃时间除尽为止六、工艺维护①氧化时，若零件表面有油污，则油污处不能产生氧化膜，因此除油很重要，轻度油污可浸泡除去，油污较重时应用刷子刷除。每班操作结束后要把槽液表面的油污清掉。②绑扎用的材料应选用铝线，稍大的工件应尽可能绑在离零件边沿最近的孔眼中，以减小对工件表面的影响。注意所绑扎的工件悬空时的方向，要避免凹入部位因朝下而产生窝气。③有盲孔或狭缝的工件要加强各道水洗，彻底洗净其中的残留溶液，以免污染下道工序。④铝及铝合金工件一般可采用1∶1的硝酸水溶液进行漂光处理，对于含硅铝合金工件应采用硝酸∶氢氟酸为3∶1的溶液，尽量不要带入水分。⑤工件经前处理后，要立即转入氧化工序，以防在大气中搁置过久产生自然氧化膜而影响氧化膜的质量。⑥氧化过程中，溶液温度的控制至关重要，温度过高，成膜速度加快，氧化膜容易出现粉化;溶液温度过低，成膜速度缓慢，附着力差。⑦不合格零件可用（1∶1）体积比硫酸或硝酸浸泡去除氧化膜，时间为1～2min。⑧带有丝孔的工件，碱蚀和精饰的时间要严格控制在工艺范围内，以免时间过长引起过腐蚀，损坏丝扣。参考文献：[1]李杨.铝的金黄色导电氧化膜制备工艺[J].材料保护，2003，36(4):70.[2]阎国平.铝合金表面化学氧化的应用[J].材料保护，1997，30(5):34.[3]侯荣阶，王炳申，袁长生.铝及铝合金的化学导电氧化[J].表面工程信息(电镀版).[4]侯荣阶，宋勇，林庆山.铝及铝合金的化学电导电氧化[J].中国电镀材料信息，2002，2(7):45.[5]上海新华无线电厂.铝及铝合金导电氧化工艺[J].材料保护，1975，8(4).[6]冯花草.铝及合金化学氧化[J].材料保护，1996，29(9):37.[7]白祯遐.铝及合金化学氧化[J].电镀与环保，2000，20(5):37～38.[8]唐春华.铝及铝合金常温彩色化学氧化工艺[J].五金科技，2001，29(5):27～28.[9]董建国，羊军.铝材化学氧化[J].电镀与环保，2000，20(6):32.[10]郑瑞庭.铝及铝合金导电氧化工艺经验谈[J].电镀与涂饰，2000，19(3).[11]郑瑞庭.关于“铝及铝合金导电氧化工艺经验谈”一文的补充[J].电镀与涂饰，2002，21(4):59.[12]郑瑞庭.电镀实践600例[M].北京:化学工业出版社，2004.[13]王文忠.铝及其合金转化膜处理[J].电镀与环保，2002，22(6):2004.[14]柳玉波.表面处理工艺大全[M].北京:中国计量出版社，1996.[15]曾华梁，吴仲达，陈钧武，等.电镀工艺手册[M].北京:机械工业出版社，1998.[16]张允诚，胡如男，向荣.电镀手册[M].北京:国防工业出版社，1997.[17]谈华民，廖春业.铝及其合金铬酸盐转化处理槽中氟离子的测定[J].电镀与涂饰.2002，21(3):42～44.[18]张允诚，胡如南，向荣.电镀手册[M].北京:国防工业出版社，1997.890893.