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第15届国际(广州)表面处理 电镀 涂装展览会

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2022-11-25

金属表面处理技术-铝的表面处理工艺

作者:    点击:262

1、引言

铝为面心立方结构,有较好的导电性和导热性,仅次于Au、Ag、Cu,延展性好、塑性高,可进行各种机械加工。

铝的化学性质活泼,在干燥空气中铝的表面立即形成厚约5nm的致密氧化膜,使铝不会进一步氧化并能耐水;但铝的粉末与空气混合则极易燃烧;熔融的铝能与水猛烈反应,高温下能将许多金属氧化物还原为相应的金属;铝是两性的,既易溶于强碱,也能溶于稀酸。铝在大气中具有良好的耐蚀性,但纯铝的强度低,只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。

铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg形成的Al-Mn、Al-Mg合金具有很好的耐蚀性,良好的塑性和较高的强度,称为防锈铝合金,用于制造油箱、容器、管道、铆钉等。硬铝合金的强度较防锈铝合金高,但防蚀性能有所下降,这类合金有Al-Cu-Mg系和Al-Cu-Mg-Zn系。新近开发的高强度硬铝,强度进一步提高,而密度比普通硬铝减小15%,且能挤压成形,可用作摩托车骨架和轮圈等构件。Al-Li合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。因为在铝中加入3%~5%(质量分数)的比铝更轻的金属锂,就可以制造出强度比纯铝高20%~25%,密度仅2.5t/m3的铝锂合金。这种合金用在大型客机上,可使飞机的重量减少5t多,而载客人数不减少。

将铝及其合金置于适当的电解液中作为阳极进行通电处理,此处理过程称为阳极氧化。经过阳极氧化,铝表面能生成厚度为几个至几百微米的氧化膜。这层氧化膜的表面是多孔蜂窝状的,比起铝合金的天然氧化膜,其耐蚀性、耐磨性和装饰性都有明显的改善和提高。采用不同的电解液和工艺条件,就能得到不同性质的阳极氧化膜。

2、前处理


2.1脱脂和除油


铝及铝合金早期是延用钢铁的除油工艺,操作温度为40~70℃,时间为5~15min。这种工艺性能稳定,寿命长,但槽液成本高,不易洗净,现在基本不用。

从80年代开始,酸性脱脂槽液逐步普及,室温下操作,时间为3~5min。这种工艺效率高,不污染后续槽,是较好的脱脂工艺,现在应用越来越广泛。


  2.2 碱腐蚀

铝及其合金阳极氧化之前需要除去致密但不均匀的自然氧化膜,对高硅铝合金,使用酸液,在室温下操作,时间3~5min,工作时会产生有毒气体。其他铝合金采用以NaOH溶液为主的碱性槽液,操作温度为40~80℃,时间为 3~10min。碱腐蚀工艺维护简单,成本低,腐蚀效果好,易于除去铝合金表面的加工条纹,是阳极氧化重要的配套工艺。


  2.3 电解抛光

机械抛光后阳极氧化,往往很难保持抛光后的光泽,这主要是机械抛光的局部表面压力不均,阳极氧化产生无光表面,所以机械抛光不能直接用于光亮阳极氧化。

电解抛光是利用电流的作用,使铝合金发生电化学反应,在铝合金表面凸凹不平的部分发生不同程度的溶解,使铝件表面产生光滑的镜面效果。电解抛光的铝件,经过后续的阳极氧化处理仍能保持大部分光泽。电解抛光的铝件有较好的耐蚀性,即使未经阳极氧化处理也能在大气中很长时间不锈蚀,保持原有的光泽。
电解抛光工艺成熟,污染小,但工作电流大,成本高,目前用于高亮度、高装饰性铝件的加工。

  2.4 化学抛光

化学抛光不需要通电,也不需要专用夹具,操作简单,但需要良好的加热和通风设备,使用高纯铝能得到反射率为100%的效果,普通铝合金也能达到装饰性的光泽度。化学抛光最大的缺点是会产生NOX有毒气体,黄色的NOX气体是强烈的致癌物质,是化学抛光车间难以挥去的“黄龙”。
除了酸性化学抛光以外,还有碱性化学抛光工艺,但碱性化学抛光的效果远不及酸性化学抛光,所以较少应用。碱性化学抛光无有毒气体析出。

3、阳极氧化


3.1 硫酸阳极氧化

硫酸阳极氧化有以下特点:

(1)槽液成本低,成分简单,操作维护简便,一般只需将硫酸稀释到一定的浓度即可,无需添加其他化学药品。
(2)氧化膜透明度高。纯铝的硫酸阳极氧化膜,是无色透明的,对于铝合金,随着合金元素Si、Fe、Cu、Mn的增加,透明度会下降。相对其他电解液,硫酸阳极氧化膜的颜色是最浅的。
(3)着色性高,硫酸氧化膜透明,多孔层吸附性强,易于染色和着色,着色鲜艳不易退去,有很强的装饰作用。

3.2 草酸和铬酸阳极氧化

草酸阳极氧化在日本应用较普遍,草酸氧化膜的特点和硫酸氧化膜相近,孔隙率低于硫酸氧化膜,耐蚀性和硬度高于硫酸氧化膜。草酸的槽液成本和操作电压高于硫酸,有些合金的草酸氧化膜颜色较深。草酸和硫酸阳极氧化都需要良好的冷却系统配套。

铬酸阳极氧化膜特别耐腐蚀,主要应用干飞机制造工业,铬酸氧化膜和油漆的附着力强,也用于作油漆的底层,铬酸阳极氧化膜灰色不透明,一般不用于装饰。

3.3 硬质阳极氧化

由于硬质阳极氧化膜具有独特的硬度和耐磨性,所以正逐步被航空、航天、自动化、汽车、计算机设备、电子和其他工业采用。目前正在开发用聚四氟乙烯、二硫化钼等固体润滑剂封闭,使硬质阳极氧化膜具有自润滑性能,应用前景更加广泛。

4、染色和着色


4.1 整体发色阳极氧化

整体发色,也称为自然发色或自身发色。整体发色工艺,能源消耗普通的阳极氧化工艺,整体发色工艺逐步被能耗更少的硫酸阳极氧化加电解着色工艺替代。

4.2 有机和无机染料染色

许多种类的阳极氧化膜,都可以被染料染色,但只有硫酸和草酸阳极氧化膜的染色有工业价值,硫酸阳极氧化膜的染色是其中的绝大部分。

有机染料染色,操作简便,染色均匀,几乎可以染出任意颜色,可以采用印刷和多重染色技术,在同一铝合金表面染出多种颜色和花纹,颜色鲜艳装饰性极强。
无机染色,颜色的稳定性高,不易退色,能经受阳光的长期暴晒。无机染色,颜色的种类较少,均匀性较差,目前正逐步被电解着色工艺替代。

4.3 电解着色

电解着色工艺具有成本低、颜色耐晒、不易退等特点,是目前应用最广泛的着色方法。

5、阳极氧化的封闭

5.1 热水封闭

新鲜的阳极氧化膜在沸水或接近沸点的热水中处理一定的时间后,失去活性,不再吸附染料,已染上的颜色不易退去,这一过程就是封闭,也称封孔。用热蒸汽也能封闭,但耗能大,应用不及热水广泛。

5.2 低温封闭


80年代以来,人们开发出 “低温封闭剂”,操作温度25~40℃,封闭速度快,几乎是热水封闭的三倍,不易产生粉霜。


5.3 中温封闭

近几年,有人研究出镁盐、或锂盐中温封闭剂,已经可以在生产中使用,其封闭效果和镍盐中温封闭剂接近,但没有重金属污染。

5.4 其他封闭剂

用硅油封闭硬质阳极氧化膜,可以提高阳极氧化的电绝缘性,还有许多有机封闭剂被开发出来,在特定的条件下可以选用。


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  • The 15th Guangzhou (China) International Surface Finishing, Electroplating and Coating Exhibition
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