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铝合金表面处理工艺技术

 学习新知识tzh 2023-07-07 发布于广东
铝以及铝合金简介

铝是一个两性金属,在酸性介质中生成铝盐(如硫酸铝),在碱性介质中生成铝酸盐(如偏铝酸钠)。


铝电位

铝合金状态

PH值<4

-1.8V以下

免蚀区,理论上以“金属铝”状态存在,即铝处于阴极保护状态,不发生任何腐蚀

-1.8V以上

理论上铝以三价铝离子形式(Al3+)存在,即处于腐蚀区

4<PH值<8

-2.0V以下

其以“金属铝”状态存在

2.0V时

表面形成氧化膜,即处于钝化区

PH值>9


铝处于腐蚀区时则生成铝酸盐(Al2-)

注:述“铝的电位”并不是电解池的“外加电压”

在大气中,说铝处于钝化区,此时在铝表面生成一层很薄的氧化膜,阻止铝与周围环境的继续接触,所以铝甚至比黄铜的腐蚀速度还慢。这层氧化膜的厚度随大气中放置时间而增厚,甚至可达200nm。

碱能与氧化铝膜反应生成偏铝酸钠和水,然后再进一步与铝反应生成偏铝酸钠和氢气。工业上利用铝在碱中发生全面腐蚀这一特点,广泛采用碱洗除去铝表面的氧化物。

铝在不同的酸中有不同的腐蚀行为,一般在氧化性浓酸中生成钝化膜,具有很好的耐蚀性,而在稀酸中有“点腐蚀”现象。

在中性盐溶液中,铝可以是钝态,也可能由于某些阳离子或阴离子的作用发生腐蚀。

铝在不同条件下生成氧化膜的厚度

成膜条件

氧化膜厚

成膜条件

氧化膜厚

干燥大气中放几天

10nm

普通阳极氧化

3-30um

化学氧化

1-3um

厚膜阳极氧化

30-100um



铝合金表面技术概述

为了克服铝合金表面性能方面的缺点,扩大应用范围,延长使用寿命,表面处理技术是铝合金使用中不可缺少的一环。

铝合金表面技术有:

  • 表面机械预处理(机械抛光或扫纹等)

  • 化学预处理或化学处理(化学转化或化学镀等)

  • 电化学处理(阳极氧化或电镀等)

  • 物理处理(喷涂、搪瓷珐琅化及其他物理表面改性技术)

在实际工程中不可能采用单一方法,而总是一个系统工程,包括一系列串联的工艺过程。



铝的阳极氧化技术

铝的表面技术中阳极氧化是应用最广与最成功的技术,也是研究和开发最深入与最全面的技术。铝的阳极氧化膜具有一系列优越的性能,可以满足多种多样的需求,因此被誉为铝的一种万能的表面保护膜。

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其具有:耐蚀性,硬度和耐磨性,装饰性,有机涂层和电镀层附着性,电绝缘性,透明性,功能性等特点,不同合金成分的铝合金适合不同目的的阳极氧化。

参见本公众号另外一篇文章。



铝的化学转化技术

铝的化学转化处理既可以作为喷涂层的中间过渡层(也叫底层),也是一种最终保护处理措施。传统采用铬化处理,考虑到环境影响降低了铬含量,使用磷铬化处理或磷化处理。直到近期出现无铬化学转化处理,将彻底告别铝表面化学转化处理中有毒六价铬的时代。然而,铝的铬化膜目前还是耐蚀性最好的铝化学转化膜,工业操作管理方便,因此仍在继续使用。铬化膜又称黄铬化膜,磷铬化膜也叫绿铬化膜,它们的膜都有颜色,但耐蚀性前者是后者的两倍。目前铬酸盐处理的铬化膜,作为最终表面处理手段,仍在航空和汽车部件方面广泛采用。

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铝的化学转化处理就是在化学转化处理溶液中,金属铝表面与溶液中化学氧化剂反应,而不是通过外加电压生成化学转化膜的化学处理过程。化学转化膜曾经称化学氧化膜、化学处理膜,甚至直接采用日文的化成处理膜,现在我国基本上统一称为化学转化膜,有时也简称为转化膜。有人将阳极氧化膜放在转化膜中讨论,实际上阳极氧化膜应该是一种电化学转化膜。

铝的化学转化处理分为化学氧化处理、铬酸盐处理、磷铬酸盐处理,以及无铬化学转化几部分。

铝的化学转化处理可以采用以下方法:

  • 直接浸入化学转化处理溶液中;

  • 将化学处理溶液喷在铝的表面;

  • 将浓溶液涂在铝的表面。

可以根据生产条件和处理目的选择具体处理方法,一般说来第1种或第2种方法使用比较多。

化学转化膜的厚度要比阳极氧化膜薄得多,因此它的保护性也无法与阳极氧化膜匹敌。但是化学转化处理经济、方便、快速、生产线结构简单,不需电源设备等,适合于大批量零部件的低成本生产。

化学转化处理作为喷涂前的预处理步骤是众所周知的工艺,不仅解决涂层与铝基体的附着性,而且提高了有机聚合物涂层的耐蚀性。



铝的涂装技术

铝的涂装包括浸涂、刷涂、电泳和喷涂等。

电泳涂装较之传统溶剂型的涂装有无可比拟的突出优点。电泳漆液以水作为分散介质,仅含少量的助溶剂,因此没有发生火灾的危险,对空气的污染大为减少。电泳涂料在水中溶解后即发生离解生成带电微粒,在外电场的作用下向反极性方向的工件运动而沉积于工件表面,对工件的边缘、内腔及焊缝等具有很好的泳透性,覆盖能力强,因此涂层致密、均匀,整体防腐能力强。涂层外观质量好、无流痕,湿膜含水量很低,烘烤时不会产生流挂现象,亦不存在溶剂蒸气冷凝液对涂层的再溶解作用。

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电泳涂料根据其在水中离解后生成带电微粒极性的不同可分为阳极电泳涂料和阴极电泳涂料,相应涂装方法可分为阳极电泳涂装和阴极电泳涂装两种。

  • 当带电微粒为阳离子时,电泳涂料称为阴极电泳涂料,这时工件接电泳电源的阴极,涂装方法称为阴极电泳涂装;

  • 当带电微粒为阴离子时,电泳涂料称为阳极电泳涂料,这时工件接电泳电源的阳极,涂装方法称为阳极电泳涂装。

阳极电泳涂料成膜物质是带羧基的阴离子型聚合物,用碱性物质中和而赋予其离子性和水溶性而分散于水中,常用的中和剂主要为有机胺及无机碱。电泳涂膜的成膜经过电泳、电解、电沉积、电渗四个过程,在铝合金表面形成含水率极低、绝缘性相当高的致密涂膜。

阳极电泳涂料的特点为:涂膜均匀、光滑、平整、附着力强;在棱边、焊缝、凹槽等不规则处都可形成均匀的涂膜,防腐蚀性能好;槽液固体分含量低、槽液黏性小、工件表面带出漆液量少、涂料的利用率高;涂料以水作为分散介质、节约资源、降低环境污染、消除了发生火灾的危险性、改善了作业环境;涂料涂覆率高,特别适合大批量流水线作业。

电泳在日本、东南亚和我国使用。电泳涂层属复合阳极氧化膜涂层。在铝阳极氧化膜上,电泳聚丙烯酸树脂层至今仍广泛使用。电泳涂装铝阳极氧化膜比单一氧化膜耐蚀性高,尤其在污染大气和海洋大气中优势更加明显。电泳涂层的另一个特点是复杂形状工件的涂层均匀性,特别在难于涂覆的边缘棱角都有满意的涂层,这方面明显优于喷涂及其他涂层技术。

喷涂在欧洲和我国是应用最广和效果最好的方法。喷涂中以静电粉末喷涂和静电液体喷涂为主。而且与阳极氧化膜比较,静电喷涂涂层以其颜色丰富、色彩鲜艳、涂层与材质关系较小、耐大气腐蚀性能好、喷涂技术操作方便、污染减轻、生态环境好等优点,应用范围逐渐扩大并且市场份额不断提升。



铝的电镀

铝及铝合金上直接电镀相当困难,因为铝对氧的亲和力很大,表面总是存在自然氧化膜,使电镀层对铝的附着力很差。又由于铝的膨胀系数大于大多数金属,因此电镀层很容易脱落。为此如果没有特殊的表面预处理,电镀过程会十分困难(这种情形在镁合金上同样存在)。因此铝的镀前预处理是铝上电镀的关键

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铝制品与铝部件电镀前的表面预处理包括两个大的方面,一是常规方法,二是专用方法。前者指机械处理(喷砂,抛光等)、化学处理(酸浸洗,碱浸洗)等。后者专门对铝表面进行特殊处理,在铝表面与电镀层之间形成一层中间过渡层,既保证与铝基体附着好,又与电镀层保持良好结合。事实上只要镀前预处理正确得当,随后的电镀或化学镀就可以按常规工艺进行,基本上不发生困难。



铝的珐琅和搪瓷涂层技术

珐琅和搪瓷是将无机氧化物的混合物熔融成不同熔点玻璃态物质。就铝合金而言,珐琅成分应调整到使其熔点在5500℃以下,同时要考虑膨胀系数与铝合金匹配。珐琅和搪瓷以粉末状态存在,选择好的铝合金经过表面预处理,可以用喷涂、浸涂、刷涂等方法涂装,欧美有许多设备进行铝合金上静电喷涂珐琅层。

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铝表面机械处理

铝及其合金制品的外观和适用性在很大程度上取决于精饰前的表面预处理。而机械处理是表面预处理的主要方法之一,很多时候起着无可替代的作用。机械处理一般可分为:抛光(包括磨光、抛光、精抛或者镜面抛光)、喷砂(丸)、刷光、滚光等方法。

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铝合金机械处理后,可如下目的

  • 提供良好的表观条件,提高表面精饰质量。

  • 提高产品品级。

  • 减少焊接的影响。

  • 产生装饰效果。

  • 获得干净表面。



化学抛光和电化学抛光

化学抛光或电化学抛光可以使特殊铝材获得很光亮的表面。铝的化学抛光是铝浸入化学溶液中的抛光处理。铝的电化学抛光指利用电化学原理,把铝材浸入到适当的电解质溶液中,在外加电流(包括直流电、脉冲电流等)的作用下,产生电解作用,达到光亮化目的的工艺过程。铝的电化学抛光在有的文献上称为电抛光或电解抛光,也有文献称为电光亮化或电解光亮化。

光亮阳极氧化铝材的材质宜选用纯铝锭(AL99.70)乃至高纯度的精铝锭(AL99.99)为基来生产,尤其重要的是要控制特殊铝材的制造工艺。另外,只有采用特殊的化学抛光处理和电化学抛光处理,才能保证在阳极氧化后有着高镜面的表面质量。

添加合金元素镁可以提高铝材的光亮度,因此,光亮用的特殊铝材中往往含有一定量的镁。特殊铝材经过高标准光亮的精饰工艺后,其表面能获得显著的光亮度,能呈现出高镜面反射的特性。

高标准光亮的精饰工艺是获得光亮度至关重要的工艺。机械抛光重现性好,可以把不是很深的表面缺陷去掉,起到平整光滑和初具光亮的作用。化学抛光或电化学抛光可以除去机械抛光中形成的轻微的摩擦条痕和可能出现的热变形层或氧化膜层,进一步使表面平整光滑,获得很高的光亮度,能得到高的镜面光亮度。

铝材进行化学抛光或电化学抛光后,其表面虽然可以得到很高的光亮度,但不能长期保持,极易在空气中自然氧化,表面变暗,极易黏附很轻微的污染物,甚至可能留有指纹。因此,必须配合相应的阳极氧化工艺,生成阳极氧化膜来加以保护。

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