铝合金表面处理原理

1铝合金表面处理原理第一章概述一、铝及铝合金表面处理的目的：（主要指阳极氧化）1、防腐蚀天然氧化膜→薄，阳极氧化膜→厚≥10μm漆膜→耐磨、耐蚀、耐光、耐候2、防护—装饰形成微孔人工氧化膜后，可染成各种颜色和图案。3、功能作用绝缘性≥100μm微孔渗渍硫化钼润滑剂→摩擦系数↓电沉积磁性金属→磁性录音盘、记忆元件等等。二、铝及其合金表面处理的分类机械法、化学法、电化学法、阳极化膜后处理（见后面附录）三、铝型材表面处理产品种类目前市场上常见的有：1）阳极氧化（银白、砂白料）2）阳极氧化+电解着色（浅古铜、古铜、黑色等）3）电泳涂漆4）静电喷漆、氟碳喷漆5）静电粉末喷涂2四、铝及铝合金表面处理工艺流程1、建筑铝型材阳极氧化处理和喷涂工艺流程：电泳→固化成膜脱脂→碱蚀→中和出光→阳极氧化（DC法）→电解着色（AC法）→封孔脱脂→酸洗→化学转化→静电喷涂→固化成膜2、通用工业用铝合金部件（机械部件、电器部件等）阳极氧化处理工艺流程：草酸法脱脂→酸洗→中和出光→阳极氧化→硫酸法（染色）→封孔硬质阳极氧化法3、装饰用铝合金部件（汽车装饰部件、照相机部件等）阳极氧化处理工艺流程：机械喷砂染色→印刷（人工修整→振动抛光）→脱脂→化学炮光→阳极氧化（硫酸法）→封孔电化学抛光第二章铝材阳极氧化前的处理铝合金建筑型材生产工艺流程：铝材装架→脱脂→水洗→碱蚀→水洗（二道）→中和（出光）→水洗→阳极氧化（DC法）→水洗→封孔水洗→着色（AC法）→水洗→水洗→卸架3第一节装架一、方式：横吊式、竖吊式纵吊式特点：1、适合大批量生产：每批可装载大量铝材2、减少装卸工人：减轻了装卸时的劳动力3、降低生产成本：溶液带出量少，减少化学品消耗量，夹具不浸入处理液中，减少夹具消耗量。4、减少用水量：带出水量减少，耗水量及废水处理量减少。适于生产能力在600吨/月以上。目前，一般采用横吊式为多。二、注意事项：（横吊式）1）铝材要有一定倾角（3º~5º）→便于氧化时气泡逸出。2）扎料要紧，导电杆脱模要干净→保证导电良好。3）每根料之间间距应保证→防止色差。4）避免不同型号、长度的料扎在一起着色→防止色差。5）每次上料面积要一定，最好是对极面积的80%，最大100%。第二节脱脂处理一、目的：除去制品表面的工艺润滑油、防锈油及其他污物，以保证在碱洗工序中，制品表面腐蚀均匀和碱洗槽的清洁，从面提高氧化制品质量。4二、油脂种类：动物油、植物油→属皂化油，可与苛性碱发生皂化反应矿物油→属非皂化油，不与苛性碱发生皂化反应锯切液三、脱脂方法与原理1）有机溶剂：酒精、煤油、汽油、丙酮、甲苯、三氯乙烯、四氯化碳等。利用溶剂对油污很强的溶解能力将油除去。对Al基体无腐蚀性。2）表面活性剂：合成洗涤剂、金属清洗剂等。利用有效成份对油污的优良的皂化、乳化、分散、渗透能力将油污除去，对铝基体无腐蚀作用。3）碱性溶液：NaoH+添加剂（乳化剂）利用溶液中的某些碱性物质与油污发生皂化或乳化作用来达到除油污之目的。皂化作用—→除去动、植物油乳化作用—→除去矿物油皂化反应：C3H5（C17H35COO）3＋3NaOH→3C17H35COONa＋3C3H5（OH）3硬脂酸苛性钠肥皂甘油乳化作用：略成份及其作用：①NaOH：皂化反应，除油作用。5②Na2CO3（碳酸钠）、Na3PO4（磷酸三钠）：缓冲剂，保持溶液PH＝10～11。③硅酸钠（水玻璃）：湿润剂、乳化剂、分散剂，不易水洗去掉4）酸性溶液H2SO4、HNO3等Al+H2SO4=Al2（SO4）3+H2↑利用H2小泡包围油珠，离开铝表面层达到除油目的。5）电解脱脂即将制品放在碱性溶液中作为阴极而进行电解处理除去油污。四、脱脂工艺制度轻油级：1）H2SO4150~250g/l常温3~5分钟2）HNO3150~200g/l常温2~3分钟3）HNO3120~150g/lH2SO4120~80g/l常温2~5分钟重油级：1）Na3PO440~60g/l（弱碱性）NaOH8~12g/lNa2SiO320~30g/l50~60℃2~3分钟2）Na3PO430g/lNa2CO320g/l40℃2~3分钟3）金属清洗剂620~30g/l常温5~8分钟（根据说明书要求）碱性除油工艺：NaOH10~15g/l，添加剂20~30g/l，45~60℃，3~7分钟第三节碱蚀一、目的：1）除去铝材表面的自然氧化膜，使金属基体暴露出来，活化表面，有利于氧化着色。2）整平基体表面，使其均匀一致。3）调整金属光泽。4）进一步除去铝材表面污物。二、方法：碱法、磷酸钠法、硫酸铬酸法等。一般采用强碱热溶液。三、碱蚀原理：碱蚀过程主要有以下三步化学反应：Al2O3＋2NaOH→2NaAlO2＋H2O2Al＋2NaOH＋2H2O→2NaAlO2＋3H2↑2NaAlO2＋4H2O→2Al（OH）3↓＋2NaOHAl2O3↓＋3H2O第一步反应是除去铝材表面的天然氧化膜；第二步是铝基体与碱反应，起整平表面的作用；第三步是前二步反应所生成的偏铝酸钠不断水解，生成胶状的氢7氧化铝和苛性钠，氢氧化铝进而脱水变成Al2O3硬水铝石。现在工业上普遍使用长寿命碱蚀添加剂。四、添加剂的作用：具有防止产生铝石、增光、整平、缓蚀等多种作用。特点：1）允许溶存Al3+铝量达100g/l（甚至120g/l）以上，而不会产生硬水铝石，即使偶有发生水解也不结块，易于清除。2）具有缓蚀整平功能，碱蚀效果更好。3）铝腐蚀率能保持在1~2%之间，减少铝溶蚀量及氢氧化钠消耗量。成份：一般有葡萄糖酸钠、酒石酸盐、柠檬酸盐、羧甲基纤维素等多元多组份的混合物。五、碱蚀工艺：NaOH：50~60g/l，碱蚀添加剂：视说明书要求，温度：50~70℃时间：视工艺要求第四节中和（出光）一、目的：①中和残碱，防止污染氧化槽。②洗去残留在表面的Cu、Fe、Zn、Si、Mn等元素的氧化物（挂灰），光亮表面。二、方法：1）硝酸法：HNO3150~250g/l，温度室温，时间：1~3分钟为氧化性酸，出光效果较好，但成本高，易污染氧化槽，烟雾大。82）硫酸法：H2SO4150~250g/l，温度：室温，时间：3~5分钟。出光效果不甚理想，可加入少量氧化剂（HNO3、H2O2），以增强其氧化性，或加入添加剂。不污染氧化槽，成本低。3）硝酸+氢氟酸（3：1体积比）用于高硅铝合金、铸造铝合金。第五节特殊要求预处理一、消光处理1、化学方法：1）NaOH溶液（全面均匀腐蚀）浓度：5～25%，温度：50～70℃，时间：1～10min2）NH4HF+（NH4）2SO4溶液（斑点腐蚀）3）NH4F溶液（斑点腐蚀）浓度：3～5%，温度：20～40℃，时间：1～5min2、电化学方法(电解消光处理法)：1）HCl溶液浓度：5~20%，温度：20～60℃，时间：1～2min，电流密度：10～30A/dm22）HCl+H2SO4溶液HCl浓度：0.3%，H2SO4浓度：1～2%，温度：75～80℃，时间：0.5～1min，电流密度：70A/dm23）HCl+NH4Cl溶液3、机械方法：喷砂处理等等9二、抛光处理1、化学抛光最常用的是三酸抛光：H3PO4—75v/v％(体积比)、H2SO4—15％、HNO3—10％、Cu（NO3）2或CuSO4少量。抛光质量好，操作简单。缺点是成本高，污染重。代替方法是碱性抛光技术。2、电解抛光H3PO4—40～80%、H2SO4—4～15%、H2CrO4—0.2～9%、H2O余温度：70～90℃，时间：1～3min，电流密度：10～15A/dm2多用于表面光洁性要求很高的装饰材料。3、机械抛光设备有扫纹机、布轮等第三章阳极氧化一、目的：人为在制品表面生成（或加厚）氧化膜。二、方法：化学氧化、阳极氧化第一节化学氧化化学氧化是在一定的温度下，使清洁的铝表面与氧化溶液中的氧发生反应而生成氧化膜的方法。化学氧化膜与自然氧化膜相比，厚度要大100一200倍。与阳极氧化膜相比，具有以下特点：（1）膜的生成速度快；（2）处理设备简单，生产成本低；10（3）涂料附着性良好，耐蚀性优良；（4）膜薄(0.5～3μm)而软，耐磨性和着色性较差。因此，—般只用作防蚀涂漆膜的底层。在工业上，化学氧化常用于形状复杂的零件、室内装饰品以及屋面材料的氧化处理。一、化学氧化原理在一定温度下，在含有氧化剂（常用铬酸盐）和活化剂（常用碳酸盐）的溶液中，通过化学作用使铝离子和氧化溶液中的氧相互作用在制品表面生成一层致密氧化膜的方法。溶液一方面应具有氧化能力，能使铝表面产生氧化膜，另一方面也应具有使氧化膜部分溶解而产生针孔的作用，促进氧化膜成长和厚度增加。但要使氧化膜在溶液中的生长速度必须大于溶解速度。一般所采用的酸有HF、Na2SiF4十酸、铬酸、酒石酸、磷酸等；采用的碱性盐为铬酸盐、磷酸盐等。化学氧化所采用的溶液的种类是很多的，最常用的是含有碳酸钠作为活化剂的溶液中进行化学氧化处理。二、化学氧化处理法现代一般广泛使用的铝及铝合金的化学氧化膜的处理方法有：饱尔—福格耳法(BV法)、MBV法、E.W法、派卢明法、阿尔罗克法、阿洛克罗姆法等。按溶液的组成可分为：(1)以碳酸钠为主体；‘(2)以铬酪或重铬酸盐为主体；11(3)以氟化物为主体(4)以磷酸为主体。作为铝合金建筑型材粉末喷涂前的预处理，常用的化学氧化膜有铬酸膜、磷酸膜和新开发的无铬膜。第二节阳极氧化所谓阳极氧化——即把铝型材人为阳极置于电解液中，利用电解作用在制品表面形成多孔性的氧化薄膜。一、阳极氧化的种类按电流形式分有：直流电阳极氧化、交流电阳极氧化、脉冲电流阳极氧化。按电解液分：硫酸、草酸、磷酸、铬酸、混合酸及以磺基有机酸为主的自然着色阳极氧化。按膜层性质分：普通膜、硬质膜、瓷质膜、光干涉膜二、阳极氧化原理铝氧极氧化的原理实际上就是水电解的原理。阳极：Al－3e→Al3＋6OH－→3H2O＋3O2＋2Al3＋＋3O2－→Al2O3＋热量（399卡）阴极：2H＋＋2e→H2氧化膜的生成规律，可通过氧化过程的电压一时间曲线来详细说明。12条件：20%H2SO4水溶液，阳极电流密度DA＝1A/dm2，温度22℃.第一段（曲线ab段）：在通电十几秒内电压急剧上升，这是由于铝表面形成了连续的、无孔的氧化膜，叫做活性层。由于它具有半导体整流作用，所以又叫阻挡层。第二段（曲线bc段）：当电压达到一定数值后，开始下降，一般比最高值下降10~15%，这是由于电解液对氧化膜的溶解作用所致，使铝表面产生无数微观孔穴，从而保证电流能够顺利通过。第三段（曲线cd）：阳极氧化经过20秒以后，电压下降至一定数值就趋于稳定，然后以缓慢的速度上升。这时无孔层的生成速度和溶解速度达到平衡，其厚度不再增加。但氧化反应并未停止，在每个孔穴底部，活性层通过溶解、再生，随时间延长而向纵深发展最后形成了六梭体蜂窝状氧13化膜结构，即多孔质层。活性层厚度约为15×10－9m，针孔内径为10～15×10－9m，壁厚12～15×10－9m，针孔密度大约为4～5亿个/m2，硫酸阳极氧化膜的孔隙率为20~30%。三、氧化膜厚度tIKδ—氧化膜厚度，μmI—电流密度，A/dm2t—氧化时间，minK为常数，与电流效率和某一工艺条件下生成膜的密度或孔隙度有关。我国采取K=0.25～0.26例：某厂，20%H2SO4溶液，18～20℃，DC法DA＝1.4A/dm2,t＝30min,δ＝12～13μm.由δ＝K·I·t→K＝304.112≈0.286四、直流硫酸阳极氧化工艺规范电流——直流电DC电解液——硫酸铝及铝合金阳极氧化膜的优点：1、可大大提高铝材表面的耐磨、耐蚀、耐光、耐候及着色性能。2、由于氧化膜是由基体金属直接生成的，所以与基体结合牢固，很难用机械的方法从基体金属上分离去掉。3、氧化膜有良好的绝缘性。直流电硫酸阳极氧化工艺：14五、影响阳极氧化膜质量的因素：1、硫酸浓度浓度↓膜亮度↓从无色透明→灰色；溶液电阻↑→槽电压↑浪费电能；成膜速度↓（膜溶解速度↑）。浓度↓膜质量软；电解质粘度↑→水洗困难。工业实际使用范围150～200g/l.2、电流密度由δ=K