铸铝合金表面无铬化学黑化新工艺的研究.docx

铸铝合金表面无铬化学黑化新工艺的研究葛圣松杨玉香邵 谦王学健姜文妍（ 山东科技大学，济南 250031 ）山东机械摘 要：本文通过正交试验及工艺优化，确定了铸铝合金表面无铬化学二次黑化新工艺，获得了黑色纯正均匀、结合力强的表面膜。该方法具有无毒无污染和防蚀效果好的特点，具有良好的应用前景。关键词：铸铝 化学黑化 无铬r esearch ofn ew process aboutchrom ate-free chem icalblackeningon casting a lum inum a lloy surfaceg e shengsong,y ang y uxiang，shao q ian,w ang x uejian，jiang w enyan（ shandong u niversity ofscience and technology,jinan,250031)by m eans ofcross-experim ents and furtheroptim izing ofthe process,a new chrom ate-freechem icalprocess via two blackening steps was broughtforward in this paper.a pure and even black surface film on casting alum inum alloy was obtained,which has a strong cohesion force.the m ethod has characteristics ofno toxicity,no pollution and good corrosion resistance.so ithas a brightapplication future.casting alum inumchem icalblackeningchrom ate-free1 前言铝及其铝合金材料因其具有机械加工性能 好、延展性高、导热和导电性能优异等诸多优良性 能而被广泛用于仪器、仪表、建筑、轻工及机械领 域。若将铝及其合金零部件表面通过氧化形成一 层黑色转化膜，则既能使其消除或减少反光和提 高供热性1，又能起到装饰及防腐性能。传统的铝 件黑化处理主要有阳极氧化法，然后电解着色、染 黑、喷染等 2-3。在已报导的铝的化学转化成膜方 法中多数应用了毒性较大的铬化合物 4，污染严 重，且存在膜的附着力差，颜色不纯正等问题。本 文通过大量实验提出了一种铸铝合金无铬化学黑 化的新工艺，利用该工艺可以在铸铝表面制得黑 色纯正、结合力牢固、稳定性好的转化膜。2 实验方法2.1 试验材料与试剂试验材料：工业铸铝 a d c12（ si:912% ,cu:1.53.5% ,m n:0.5,m g:0.3,fe:1.3,n i:0.5,zn:1,sn:0.3 余量：a l)。主要试剂：k m no 4；h 2so 4；c（o n o 3）26h 2o ；n a3po 412h 2o ；n a2co 3；ed ta ；h n o 3；n ao h2.2 工艺流程工件碱性去油水洗碱蚀水洗出 光水洗黑化水洗干燥成品工件经常规碱性除油液（ n a2sio 36h 2o 6g/l， n a3po 412h 2o 6g/l，n a2co 310g/l，十二烷基硫酸钠0.5g/l）在 4555下除油 5 分钟，除去制品表 面上的润滑油、防锈油及其它污物，经水洗后在室-10 -n o .6，20041312 1.温度的影响 综合 11 2.时间的影响指 10 3.硝酸钴的影响标 9 4.硫酸的影响8 5.高猛酸钾的影响71.0 1.5 2.0 2.5 3.0温下进行碱蚀 1 分钟（ n ao h 40进一步除去制品表面的污物，并且将制品表面上的自然氧化膜清除掉，使基体金属表面裸露出来，以利于氧化反应顺利进行。碱蚀后工件表面产生一层灰黑色浮灰，因此 要进行出光 处理（ h n o 3 d=1.41、10m l/l，室温，1 分钟），并且出光后山东机械提高了表面平滑度和光泽度，最后通过化学黑化液处理得到黑色氧化膜，而这一步也是本黑化工艺的关键，本文着重对黑化液的配方及黑化工艺进行了研究。2.3 化学黑化试验为了能在铸铝表面得到黑色纯正、结合力牢固、稳定性好的转化膜，本文首先经过大量的文献综合，并通过初步实验，确定了化学黑化液的基本组成：高锰酸钾、硫酸和硝酸钴。 高锰酸钾为强氧化剂，它与铝反应可在铝合金表面生成一层 a l2o 3m no 2 的氧化膜，其浓度大 小决定制品色调及结合力。在氧化膜上沉积的锰 越多，颜色就越深；用量增加有利于反应的进行， 并且可以提高膜的结合力，但用量太高，易使膜层 颜色泛红5。硫酸为活化剂，主要调节溶液的 ph 值，增强 黑化液的氧化性；硝酸钴为主要成膜物质。它们含 量的高低都直接影响膜层质量。除了以上因素外，影响黑化膜的因素还有黑 化时间及温度，为此为了得到最佳黑化液配方及 黑化工艺，本文首先选定高锰酸钾、硫酸和硝酸钴 的浓度及黑化时间和温度五个因素，按（l 35）正交 表设计了正交试验进行条件优化。正交试验因素、 水平表见表 1。表 1 化学黑化正交试验（l 35)因素、水平表注：表 2 的综合指标包括附着力和颜色两项技术性能指标，计算方法为：附着力和颜色最差的均为 0 分，最好的 为 10 分；综合指标是将附着力和颜色两个技术指标相加 而得。表中 k 1k 3、为各水平的综合指标的平均值，r 代表 级差。由正交试验极差可看出，各因素影响的主次 顺序依次为 ed a bc。并由综合指标对各因素的水平作图，得到各因素对综合指标的影响 趋势图，如图 1 所示。温度3 结果与讨论3.1 正交试验结果与讨论 实验结果如表 2 所示。图 1 黑化正交试验趋势图n o .6，2004-11 -因素水平（a g/l） k m no 4 的量（b m l/l） h 2so 4 的量（c g/l） 硝酸钴的量（d m in） 时间（e ）15.00.520.06.055.026.01.025.09.060.037.01.530.012.065.0试验 号附着 力综合 指标111111145212222610165222336101662331121373121364101011332710171213221213132123174111422312516152312391019163132321317321312131833212448k 111.510.511.07.87.0k 212.012.210.712.511.8k 38.08.89.811.212.7r4.03.11.24.75.7试 验 与 研 究s h i y a n y u y a n jiug/l，ed ta 1g/l）表 2 黑化正交试验及结果（l 35）abcde颜色3133336713421122107178323217101793313234711121138715主要是由于加入 a lcl3 可减少基体应速度缓慢所致。本实验中确定g/l。 表面活性剂 添加表面活性剂十二烷基硫酸钠 了基体的表面张力，使得膜层更加 提高。但用量不易过多，否则，膜层山东机械验得到了铸铝合金无铬化学黑化工艺：6.0g/l20.0g/l1.0m l/lznso 47h 2oa lcl3十二烷基硫酸钠1.5g/l1.0g/l0.1g/l但仍有浮灰，为此本文又对黑化工艺进行进一步优化。3.2 黑化工艺的优化3.2.1 采用低温二次黑化工艺 降低温度可使浮灰减少，但膜层明显变薄，实验表明，通过在较低温度下延长时间，并采用二次 黑化，可使膜层更加牢固，表面的浮灰大为减少， 并且膜的黑度及厚度得以保证。具体操作是首先 在 55下，黑化 20 分钟，形成一黑度较高的黑色 膜，去灰后，再在 40下进行二次黑化 8 分钟。3.2.2 添加辅助成膜物质 硫酸有利于膜的生成及黑度的提高，但用量过多，膜的溶解速度加快，浮灰增多，严重影响膜 层的质量。为此我们添加了辅助成膜物质硫酸锌， 实验结果表明加入硫酸锌 1.5g/l 时，膜层的浮灰 减少、致密性得到改进。3.2.3 选择添加剂 实验中发现，在黑化液中添加少量 a lcl3，可使膜层的黑度有所提高，膜层结晶细致，膜层质量h 2so 4一次黑化温度 55，时间 20m in二次黑化温度 40，时间 8m in 经该工艺黑化的铸铝表面，能形成一种黑色纯正， 结合力牢固的氧化膜，可起到装饰、防腐等作用。 该工艺具有简单、黑化温度低、黑化液易维护等优 点，易于推广应用。参考文献1马忠信.铝及铝合金的化学黑化工艺j.表面技术,1998,2（7 3):46 2李淑华，李树堂，尹玉军.铝及其合金的表面处理技术j.材料保护，2001,3（4 3):2022 3孙春文，唐致远，郭鹤桐.铝件黑色处理新工艺j.广州有色金属学报，1999，1（1 5):5457 4邹洪庆.铸铝合金锆系非铬化学成膜处理工艺应用j.材料保护，2001,3（4 2):2930 5胡传炘.实用表面前处理手册.北京:化学工业出版社,2003-12 -n o .6，2004试 验 与 研 究s h i y a n y u y a n jiu由图 1 可见，由综合指标确定的各因素的最得到改观。这 佳 水 平 为 a 2b2c1d 2e3。 即 k m no 4、 浓 h 2so 4、coa l的溶解，使反（ n o 3）26h 2o 的用量分别为 6g/l、1m l/l、20g/l；温添加了 a lcl3 1.0 度为 65，时间为 9 分钟。由图 1 还可看出，当硝3.2.4 加入酸钴的量继续减少时，综合指标还有上升趋势，故在黑化液中 本文又在其它因素固定在最佳值的情况下对硝酸（ 0.1g/l），降低 钴的用量做