铝合金表面处理原理

1、铝合金外表处理原第一章 概 述一、铝及铝合金外表处理的目的： 主要指阳极氧化1、防腐蚀天然氧化膜T薄，阳极氧化膜-厚?10卩m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?100卩m微孔渗渍硫化钼润滑剂-摩擦系数J电沉积磁性金属 - 磁性录音盘、记忆元件等等。二、铝及其合金外表处理的分类机械法、化学法、电化学法、阳极化膜后处理 见后面附录三、铝型材外表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 静电粉末喷涂四、铝及铝合金外表处理工艺流程1、

2、建筑铝型材阳极氧化处理和喷涂工艺流程:电泳一固化成膜 脱脂一碱蚀一中和出光一阳极氧化DC法电解着色AC法一封孔 脱脂一酸洗一化学转化一静电喷涂一固化成膜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：草酸法一脱脂一酸洗一中和出光一阳极氧化-硫酸法染色一封孔* 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染色一印刷- 硫酸法-流程: 机械喷砂 1 r*人工修整一振动抛光-脱脂一化学炮光-阳极氧化f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1I水洗

3、-着色AC法-水洗水洗卸架第一节装架一、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、降低生产本钱：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、考前须知：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 防止不同型号、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

4、100%第二节脱脂处理目的:除去制品外表的工艺润滑油、防锈油及其他污物，以保证在碱洗工序中，制品外表腐蚀均匀和碱洗槽的清洁，从面提高氧化制品质量。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响矿物油属非皂化油，不与苛性碱发生皂化反响锯切液三、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) 外表活性剂：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

5、皂化或乳化作用来到达除油污 之目的。L皂化作用除去动、植物油I乳化作用一-除去矿物油皂化反响：CH (C7H5COO 3 + 3NaO 3Ci7H35COON3GH5 (OH 3硬脂酸苛性钠肥皂甘油乳化作用：略成份及其作用： NaOH皂化反响，除油作用。 Na2CO(碳酸钠)、NaPO (磷酸三钠)：缓冲剂，保持溶液PH= 10 11。 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HSO、HNO等Al + H 2SO = Al 2 (SQ) 3 +利用小泡包围油珠，离开铝外表层到达除油目的。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

6、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) N a3PO4 40 60g/l(弱碱性)NaOH 8 12g/lNa 2SQ3 20 30g/l 50 60 C 2 3 分钟2) N a3PO4 30g/lNa 2CO3 20g/l40C 2 3 分钟3) 金属清洗剂20 30g/l 常温 5 8 分钟(根据说明书要求)碱性除油工艺：NaOH 10 15g/l ，添加剂 20 30g/l，45 60 C ， 3 7 分钟第三节 碱 蚀一、目的

7、：1) 除去铝材外表的自然氧化膜，使金属基体暴露出来， 活化外表，有利于氧化着色。2) 整平基体外表，使其均匀一致3 调整金属光泽。4进一步除去铝材外表污物。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响：AbQ + 2NaOH 2NaAIO2 + “02Al + 2Na0H + 2出0 2NaAIO2 + 3甩 f2NaAIQ + 4出0 2AI OH 3J+ 2Na0HAlL 203 ； + 3H0第一步反响是除去铝材外表的天然氧化膜；第二步是铝基体与碱反响，起整平外表的作用；第三步是前二步反响所生成的偏铝酸钠不断水解，生成胶状的氢

8、氧化铝和苛性钠，氢氧化铝进而脱水变成 AI20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AI3+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，易于去除。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 60 g/l ，碱蚀添加剂：视说明书要求，温度： 50 70 C 时间：视工艺要求第四节中和出光一、目的：中和残

9、碱，防止污染氧化槽。洗去残留在外表的Cu Fe、Zn、Si、Mn等元素的氧化物挂灰，光亮外表。二、方法：1硝酸法：HNO15O 250g/l ，温度室温，时间：1 3分钟 为氧化性酸，出光效果较好，但本钱高，易污染氧化槽，烟雾大。2硫酸法：HSQ 150250g/l ，温度：室温，时间：35分钟。出光效果不甚理想，可参加少量氧化剂HNQ H2Q2,以增强其氧化 性，或参加添加剂。不污染氧化槽，本钱低。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：1NaOH溶液全面均匀腐蚀浓度：525% 温度：5070C，时间：110min2) NhHF

10、 + (NH) 2SO溶液(斑点腐蚀)3) NHF溶液(斑点腐蚀)浓度：35% 温度：2040C，时间：15min2、电化学方法(电解消光处理法)：1) HCl溶液浓度：5 20%，温度：2060C，时间：12min,电流密度：1030A/dmi2) HCl + H2SQ溶液HCl浓度：% H2SQ浓度：12% 温度：7580C,时间：1mi n,电流密度：70A/dm3) HCl + NMCI 溶液3、机械方法：喷砂处理等等二、抛光处理1、化学抛光最常用的是三酸抛光： HPQ 75v/v %(体积比)、H2SQ-15%、HN(310%、Cu(NQ) 2 或 CuSQ 少量。抛光质量好，操作简

11、单。缺点是本钱高，污染重。代替方法是碱性抛光技术。2、电解抛光HPQ 4080% HSQ 415% HCrQ 9% HQ余温度：7090C，时间：13min,电流密度：1015A/dmi多用于外表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：人为在制品外表生成或加厚氧化膜。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，使清洁的铝外表与氧化溶液中的氧发 生反响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，生产本钱低；3涂料附着性良好，耐蚀

12、性优良；4膜薄 3卩m而软，耐磨性和着色性较差。因此，一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外表生 成一层致密氧化膜的方法。溶液一方面应具有氧化能力，能使铝外表产生氧化膜，另一方面也应具 有使氧化膜局部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

13、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：饱尔一福格耳法(BV法)、MBV法、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；(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一一即把铝型材人为阳极置于电解液中，利用电解作用在制品外表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

14、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、光干预膜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 Al 3+6OHf 3HO + 3O2+2A13十+ 3O Al 203+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 条件：20%HSQ水溶液，阳极电流密度 Da= 1A/dm,温度22 C.第一段曲线ab 段:在通电十几秒内电压急剧上升，这是由于铝外表形成了连续的、无孔的 氧化膜，叫做活性层。由于它具

15、有半导体整流作用，所以又叫阻挡层。 第二段曲线be 段:当电压到达一定数值后，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，使铝外表产生无数微观孔穴，从 而保证电流能够顺利通过。第三段曲线ed: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到达平衡，其厚度不再增 加。但氧化反响并未停止，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开展最后形成了六梭体蜂窝状氧化膜结构，即多孔质层。、 .9一 9活性层厚度约为15X 10 m针孔内径为1015X 10 m壁厚1215X 10一9m针孔密度大

16、约为45亿个/m2,硫酸阳极氧化膜的孔隙率为 20 30%三、氧化膜厚度3氧化膜厚度，卩mI 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二例：某厂，20% HSO溶液，1820C, DC法2D a= dm , t = 30min , 3 = 1213 m.由3 = KI t f K=1.4 30四、直流硫酸阳极氧化工艺标准电流一一直流电DC电解液一一硫酸铝及铝合金阳极氧化膜的优点：1、可大大提高铝材外表的耐磨、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别

17、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:参数名称通常使用范围最正确条件H2SO4含量150 200g/l180g/lAl3+离子含量v 20g/l5g/l温度18 22C20 C电流密度1 2A/dmdmi时间按膜厚要求而定30分钟10卩m60分钟18卩m电压16 21V17 19V极比阴极：工件=1 :1 : 1五影阳氧膜量因素:1、浓度J膜亮度J从无色透明T灰色；溶液电阻fT槽电压f浪费电能；成 膜速度J 膜溶解速度f。浓度J膜质量软；电解质粘度fT水洗困难。工业实际使用范围150200g/l.2、电流密度由3 =K- I t可知：膜厚3由I及t决定，I f、t Jt生产

18、率f。I大小对膜质量有影响：I J膜结构致密、硬；I f膜易“烧焦，膜厚不均匀. 2性f 大面料、复杂料。一般采用dm。3、槽液温度槽液温度J 如05C氧化膜发脆，膜层透明度与染色性能J 即吸附性能。槽液温度f 如?25C氧化膜疏松，呈蜂窝状晶体，壁厚减薄，甚至起 白粉。理想的温度为20 2C。 恒温方式：加热蒸汽，冷却冷冻机或加添加剂。4、电解电压由于采用定电压阳极氧化那么很难控制膜厚， 铝合金硫酸阳极氧化采用定电流工作方式。电解电压根据设定电流密度来确定，一般在1022伏范围内，最正确范围1517V。5、氧化时间在恒电流的条件下，由3 = K I t可知成膜时间和膜厚成正比。6、杂质的影响

19、1合金成份：Mg 2%膜变暗浊色。Si % 膜光泽J 2%呈灰黑色， 出现斑点。Cu%T膜色调深暗或灰黑色。Znf膜呈灰暗色。Mn即便v %膜也 带色与无光。2槽液杂质：Cl 一、R 氟冷却液-出现孔蚀现象。Fe3+暗花纹和 黑色斑点。CiT-正弦曲线状暗条纹。最好使用纯水配电解液3 AI3+离子：Al3+ 5卩m即可；着黑色5 12卩m以上9. 极比及其分布和间距：极比一一即电极的外表积和铝型材外表积之比。着 色是定电压作业，极比太小会降低铝材上的电流密度，导致： 在膜中 沉积析出量， 着不出深色； 着色不均匀过大过小均会。极间距 太小T磁场干扰T着色不均；太大T着色 t f。一般情况下，着

20、色电流I =dm2时极比应是1: 1。生产实践证明，最正确极比是1:之间；阴阳极间距为250300mm10. 杂质：Sn盐电解着色液抗杂质性能过胜过其它盐类，危害最大的杂质是 K+、Na+、NO3、Cl 。空气及杂质对槽液稳定性的影响：1.空气搅拌。2. Fe2+、Cu着色液的老化问题：有害杂质的污染Al3+的积累Mg的氧化添加剂 的分解。2、Ni 盐电解着色 一 工艺特点 单 Ni 盐着色可获得香槟色、青铜色、深青铜、古铜至黑色，获深黑较困难；成份简单，十分稳定；原料来源广，本钱低；着色膜 耐光性、耐磨性、耐候性与 Sn盐相当；着色液分散能力差，大面积型材 着色不均匀；对杂质比拟敏感，尤其对

21、NaL K+。由于最后二个的原因，Ni 盐槽被Sn盐所取代。二主要成份硫酸镍、硼酸、酒石酸、硫酸铵、硫酸镁等。三典型工艺浅田法主要工序：硫酸阳极氧化膜厚s =79卩mNi 盐电解交流着色青铜色电泳涂漆或浸渍涂漆法丙稀酸透明漆s =7 9卩mNi 盐电解着色工艺：NiSO 7H2O 25g/l , MgSO 7H2O 20g/l , NH 2SQ15g/l, , H3BG 25g/lPH= V=715v, I=dn2，50Hz, T=1525C, t=2 153、Ni Sn混合盐电解着色为解决纯Ni盐电解着色的缺点，人们研究了 Ni Sn混合盐电解着色法， 其优点：着色速度快；可得到单一 Ni盐

22、得不到的纯黑色；由于Sn盐 含量低，只占Sn盐法的1/4左右，所以溶液稳定性好，本钱低。一Ni Sn盐着色机理Ni 盐在溶液中不参与电化学反响，只起催化剂作用。二工艺标准NiSO4 30g/l, H3BO3 30g/l ， SnSO4 5g/l, H2SO4 18g/l稳定剂10g/l，温度2030C, AC 1416 v，时间 210 min电极 ：不锈钢或石墨三各成份的作用第三节有机涂层着色/浸渍涂漆法r静电粉末喷涂/静电喷涂法vI静电喷漆1电泳涂漆法第五章封孔处理封孔处理是为改善阳极化铝的耐蚀性和物理性能为目的而进行后处理 的总称。封孔目的：提高氧化膜的防污染、抗腐蚀、耐磨等性能，还可提

23、高外表性能 和美观。封孔处理方法：广常压水蒸汽水合封孔加压水蒸汽I沸水 化学法无机质封孔一一常温或中温封孔I有机质封孔 r涂布或浸渍合成树脂80C时，Y- AI2OAIOOH+HOy AI2C3 H2。勃母石or 一水铝石这种水化氧化铝是稳定而不可逆的。由于此反响使氧化膜体积膨胀38%从而使氧化膜外表微孔封闭。二、工艺1、纯水封孔纯水去离子水,T=8595C, t=2030, PH=封孔时间f,容易起粉霜又称封闭华，封孔质量也不在好 目前根本淘汰水合封孔的缺点： 能耗大，劳动条件差，T =8595C; 易产生“粉霜，颜色J; 时间长 20 分。第二节 常温封孔冷封孔一、开展史二、封孔原理一般认

24、为是以下三种作用的综合结果：1水化作用同样利用其水化作用生成亚稳态的Y Al203 3H2O,由于低温，水化反 应速度慢，水化产物具有可逆性。2金属盐的水解作用是常温封闭的主反响，采用 Ni CoF体系时，金属离子渗入膜孔中， 在一定的PH值下发生水解，Ni2+、CO+生成氢氧化物Ni0H2与水化作用生成 的水化氧化铝一起沉积，堵塞了孔隙。3形成铝的化学转化膜利用封孔剂中某些组分物质与铝材氧化膜的化学作用， 在铝膜外表生成 稳定的化学转化膜。三、封孔工艺添加剂：按要求。PH值缓冲剂：1g/l。极性溶剂：微量。PH值：用醋酸or氨水调节。温度：1840C。时间min: 1 卩 m/min。主要成份控制：Ni2+/Co2+I , F 3001400ppm四、各成份的作用：1) Ni盐：属于最主要成份，由于它在膜孔中的水解而实现封孔。2) 氟化物：F_在封孔过程中起媒介或催化