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铝材及铝制品的电解抛光处理 2 铝的抛光处理系列文章之七 吕萍英 东北轻合金加工厂工学院 黑龙江省哈尔滨市 150060 摘要 阐述了碳酸钠 磷酸钠溶液电解抛光法 布赖塔法 的溶液成分 处理工艺参数 产品的 应用 产品缺陷及其产生原因等等 该法是最老的铝材电解抛光工艺之一 至今仍在应用 特 别适合处理高纯铝及用高纯铝配制的AlMg 与 AlMgSi 合金 槽液中的氯离子应严加 控制 含氯较多时 处理的材料会产生点腐蚀 全面地阐述了其他碱性溶液电解抛光法 关键词 碳酸钠 碳酸钠溶液电解抛光法 布赖塔法 高纯铝 反射率 高纯铝基合金 点 腐蚀 3 工业电解抛光处理工艺 目前 工业上应用的电解抛光方法很多 但 主要的工艺是 高氯酸 醋酸法 P A 杰克奎特 法 JaCguet 硫酸 磷酸法 巴特尔法 Battele 浓磷酸法 中山孝廉法 振动电解法 中山孝 廉法 硼氟酸法 阿扎克法 Alzak 碳酸钠 磷酸钠法 布赖塔法 Brytal 硫酸溶液法 碱性 溶液法即田岛法 等等 1933 年 R B 梅森 Mason 提出在硼酸 氟酸溶液中电解抛光铝 1934 年 阿扎克法问 世 日本的中山于 1935 年发表了磷酸溶液电 解抛光工艺 中山法 尔后又提出振动电解 抛光法 中山法 中国的科技工作者薛宽 宏 洪九德等研究开发出了铝及铝合金的一些 无铬电解抛光工艺1222 3 1 碳酸钠 磷酸钠溶液抛光法 碳酸钠 磷酸钠溶液电解抛光法 Brytal 是 一种最先提出的电解抛光工艺 于 1936 年在英 国问世 是至今唯一的仍在工业生产中保持应 用的碱性电解液抛光法 Brytal0是英国铝业公 司 British Aluminium Company 对此法的注册 商标名称 保持至今 此法特别适合于抛光高 纯铝 99199 在许多国家得到了应用 但自 1955 年以后 由于采用 9918 Al 制的 AlMg 合金可在磷酸溶液中获得良好的化学抛光 以 及不锈钢槽在抛光生产方面的推广应用 其应 用范围在缩小 原型布赖特法之所以现在还在 有效地被应用着 是因为在处理大面积的镜面 材料或工件时 还没有另一种高效的处理法可 取代它 也没有其他抛光法的处理质量优于它 3 1 1 处理工艺 普勒 N D Pullen 于 1936 年首次对 Bry tal 法溶液成分与处理工艺作了阐述 至今仍无 多少更改 见表 23 哈里斯 P G Harris 对槽 液成分与操作条件对抛光质量的影响作了精心 的研究 其结论如图 20 所示 他的工作显示 最佳的槽液成分为 20 碳酸钠与 6 磷酸钠 而不是原先的相应含量 15 与 5 哈格 H Hug 推荐的成分为 30 碳酸钠 615 磷酸 钠127 2 应精心配制槽液 碳酸钠与磷酸钠应是纯 61 1996年 l 12轻 金 属 的 采用蒸馏水或去离子水 温度 85 90 e 第 一天的工作温度低些 最好是 80e 磷酸钠含 量须严格控制 以 4 左右为宜 表 23Brytal电解抛光液成分与处理工艺 工作范围最佳值 无水碳酸钠 重量 12 2015 磷酸钠 重量 215 7 1 55 温度 e75 9080 82 电压 V7 169 12 图 20 在碳酸钠 磷酸钠溶液中电解 抛光高纯铝的处理条件 N 原先的标准抛光成分 X 改进的抛光成 分 A 出现白边与条纹斑痕 B 白膜区 C 抛光良好区 D 20e 时的溶解极限线 E 腐蚀 区 F 显现晶粒区 G 钝化膜区 处理时工件应夹紧 重要的处理表面应尽 可能地排列成与垂直方向呈 15 b 并朝下倾斜 槽液应静止不动 在工件浸入之前 需停止加热 与搅拌 在工件浸蚀 30 60s 后 接通电源 将 电压调到预定值 电源可为直流发电机或 6 相 整流器 但电压波动范围应小于 5 此时的 初始冲击电流密度为 315 5A dm2或更高些 时间约 4s 然后立即将电流密度降至冲击值的 左右 于是阳极停止冒气 抛光开始 实践证 明 采用移动阳极是有益的 也就是说使工件振 动 转动等 速度以 10 20r min 为宜 振幅最 好为 20 30cm 不过 在这种情况下 工作电 压需升高约 6V 电流密度也应提高 以加速处 理过程 处理电流密度与电压见表 24 工件在电解抛光之前应经过机械抛光处 理 同时 最好是在机械抛光后的10 15min 内 进行碳酸钠 磷酸钠溶液电解抛光 抛光时间一 般为 30 40min 表 24电解抛光处理的电流密度与电压 金 属 电流密度 A dm2电压 V 开始最终稳定阳极移动阳极 高纯铝 3 1 61 1 61218 20 99 1 8 Al 4 1 02 1 01218 20 高纯铝基合金5 1 02 1 01520 22 抛光处理槽结构如图 21 所示 阴极置于槽 的两端 远离工件 隔板位于槽液水平之下 以 减少对流作用 空气搅拌管与蒸汽加热管圈离 槽底 10 20cm 以免搅起沉淀物 沉淀物会引 起种种不良后果 应及时除去 如可能 应尽量 连续地过滤槽液 碳酸钠 磷酸钠抛光槽液沉 淀在 100e 干燥后的成分如下 SiO2210 Al2O32317 CaO019 Na2O2510 P2O52613 在 1000 e 燃烧损失2211 10010 CO2118 一年 4000L 的抛光槽产生的沉淀物约为 50kg d 图 21 碳酸钠 磷酸钠溶液 抛光槽纵断面示意图 1 阴极 2 低碳钢槽 3 隔板 4 木 制外壳 5 空气管 6 蒸汽加热管 7 排泄管 抛光作用是工件上一层厚约 015Lm 氧化 膜的形成与复杂的磷酸粘液层的存在共同作用 的结果 抛光后这层氧化膜仍存在 但通常用 62 轻 金 属1996 年 l 12 肉眼看不见 在阳极氧化处理前应去掉此膜 可用沸腾 7 磷酸 4 铬酸溶液脱除 3 1 2 槽液管理与缺陷 在抛光生产中 除了产品带出的槽液外 槽 液的碳酸盐成分是不会改变的 因此 主要工作 是定期添加磷酸钠 以保持其浓度为 415 615 并补充蒸发的水 水的蒸发量相当大 在槽液表面放置一些塑料膜罩或塑料板可大幅 度降低水的蒸发 溶液中的主要有害杂质是 氯 当其含量超过 011 时 可引起严重的点腐 蚀 图 22 示出了处理试样的点腐蚀程度与氯 含量的关系 英国铝业公司的试验结果 在碳酸钠 磷酸钠溶液中抛光时 可产生的 缺陷如表 25 所列 图 22 在碳酸钠 磷酸钠溶液中 抛光处理时氯引起的点腐蚀 1 无 氯 2 011 Cl 3 012 Cl 下表 面 4 012 Cl 上表 面 5 013 Cl 下 表 面 6 013 Cl 上表面 高纯铝 99199 与用高纯铝 镁 硅配制 的光亮 AlMg 合金 AlMgSi 合金诸如英 国的 BT R1 BTR2 BTR6 合金经 Byrtal 法抛光 处理后 可获得很好的抛光表面 即使在阳极氧 化膜厚达 20L m 或更厚时 仍具有满意的反射 率 3 1 3 反射率 铝经碳酸钠 磷酸钠溶液处理后总反射率 BS1615 方法 P 与镜面反射率 BS1615 方法 Q 列于表 14 由所列数据可见 镜面反射率不 但与氧化膜的厚度有关 而且与铝的纯度有很 大的关系 当铝的纯度不到 9918 时 经此工 艺处理后的工件甚至反射不出任何目的物 碳酸钠 磷酸钠溶液抛光 表 13处理常见的缺陷与产生原因 缺 陷 名 称产 生 原 因 黯淡无光 1 磷酸含量低 2 电压或电流密度低 槽沟表面明亮耀眼电压与电流密度太高 黯的氧化物斑点抛光时发生 灼伤0现象 全面或局部腐蚀 1 初始侵蚀时间过长 2 阳极接触不良 3 装料过多 4 铝的纯度太低 轮廓线 光亮但不均匀 1 装料过多 2 预处理前的脱膜或侵蚀不充分 3 处理电压不稳 白色或褐色条纹 阳极氧 化处理后才出现 1 电解液或工件运动过度 2 阴极或邻近物上有气体流 3 从槽中取出工件时氧化膜发生腐蚀 极细的擦伤抛光轮上松动的纤维划出的细纹 表面有带尾巴的气泡印 痕 粘附气泡 众多的气泡印痕 1 电解液浓度低 2 沉淀物聚积 上表面有许多微点蚀坑 或疙瘩 细小的沉淀物聚积 深的点蚀坑 1 槽液氯含量过多 2 工件表面上的残脂含有氯化物 经 Byrtal 工艺抛光处理与阳极 表 14氧化处理后的反射率 阳极氧化膜厚 Lm0251020 总反射率 99199 Al 99 1 8 Al 90 90 90 89 89 88 89 87 88 84 镜面反射率 99199 Al 99 1 8 Al 90 88 87 68 87 63 86 58 84 47 碳酸钠 磷酸钠溶液抛光法已在工业界广 泛用于处理高级凹形器皿 反光镜 反热器 装 饰工艺品 钮扣与按钮 徽章 带浸染仿金色或 黄铜色 汽车装饰件及其他的装饰物件 处理 后工件对整个可见光谱与红外线都有很高的镜 面反射率 图 23 图 24 示出了几种材料的镜 面反射率与温度的关系 由图可见 温度低于 500e 时 高纯铝的反射率几乎与温度无关 而 其他材料的反射率则随着温度的升高而明显下 降 纯度大于或等于 9918 的高纯铝在抛光处 理后对工业大气有很强的抗蚀性 试验是在恶 劣的条件下进行的 试样被置于工厂的房顶上 排出的气体有相当强的腐蚀性 见图 25 高纯铝经碳酸钠 磷酸钠溶液电解抛光法 处理后对大气有很强的抗蚀性 可广泛用于制 造在工业气氛与海洋气候条件下使用的装饰件 63 1996年 l 12轻 金 属 图 23 电解抛光与机械抛光的高纯铝 99199 银 铬的镜面反射率与光波长度的关系 1 银 2 电解抛光的高纯铝 3 机械抛 光的高纯铝 4 铬 5 可见光 图 24 几种材料的镜面反射率与 温度的关系 1 在碳酸钠 磷酸钠溶液中抛光的 99199 Al 2 镀 Rh 的 3 在碳酸钠 磷酸钠溶液中抛光 的 99195 Al 4 不锈钢 图 25 在工业气氛大气中的暴露时间 对抛光材料反射率的影响 1 在碳酸钠 磷酸钠溶液中抛光的 99199 Al 2 经碳酸钠 磷酸钠溶液 法电解抛光处理的 9918 Al 3 不锈钢 4 铑板 5 银板 6 铬板 7 镍板 与非受力结构件 近期在激光设备中得到了可 靠的应用 以制造反射器腔 而用镀银材料时 使用寿命极短 用电解抛光高纯铝制造反射腔 不但经长期使用后未变黯 而且经清洗后完好 如初 未发生任何损伤 3 1 4 其他的碱性溶液电解抛光法 除了上述的碳酸钠 磷酸钠溶液电解抛光 工艺外 在电解抛光发展过程中 还出现了一些 其他的碱性溶液抛光法 并在生产中获得了一 定程度的应用 大都取得了专利 其较著名的列 于表 15 表 15 其他的碱性溶液电解抛光工艺 工 艺 名 称溶液成份抛光工艺参数 S Tajima法 适 用 9916 Al 与不含 Cu Ni Fe 的铝合金 氢氧化钾 215g 氢氧 化钠 1 1 4 5 g 乳酷素 0102g 水 50ml 温度 80 e 电压 30 70V 电流密度 100 300A dm2 Alais Froges 法 英国专利 521 290 接近最高浓度的氢氧 化钠溶液或硫酸钠溶 液 温度 30e 稀溶液 2 并加入一 种接近最大浓度的碱 金属盐 如硫酸钠 约 60 e AGMA公 司 法 瑞士 专 利 256 850 适 用 于高纯度铝与 铝合金 典型的电解液成分 碳 酸钠 20 氟硅酸钠 7 磷酸钠 2 温度 85e 电压 13V 电流密度 2A dm2 Socie cte cde Produits Chim iques des Terres Rares 法 英国 专利 655 699 氢氧化铝 100g 将 10g 铝溶解于氢氧化钠溶 液中 磷酸 50g 加水 至 1L 温度 80e 电压 12V 电流密度 6A dm2 L Prigoniker 法 英国 专 利 655 514 氰化钠 100g L 硫氰 酸钠 15g L 白 明 胶 6g L 温度 50 100e 电压 15V 电流密度 20 30A dm2 日本 K Takada 法 适用于低纯 度铝与硬铝 氢氧化钠 3 硅酸钠 10 六水偏磷酸 盐 5 温度 40e 电压 20V 电流密度 20A dm2 H Burkhardt 法 德国 专 利 1212 816 碱金属氢氧