具有比重小、強度高和抗蝕性能好等優點的鋁合金(含純鋁)經過無鉻電解拋光表面處理后,可改善其綜合性能及裝飾性能,從而獲得鏡面反光、色彩艷麗和抗蝕性能強的制品。
傳統的鋁合金電解拋光工藝為有鉻電解拋光工藝,其電鍍液處理費用高,污染環境。本文著重介紹鋁合金無鉻電解拋光工藝研究的有關內容,供參考。
1 無鉻電解拋光機理
電解拋光是金屬零件在特定條件下的陽極浸蝕過程,能降低金屬表面粗糙度而使零件表面變得光亮。鋁合金在電解拋光后的陽極表面狀態主要取決于以下四種化學反應的強弱程度:1)鋁金屬在電解拋 光液中的溶解(Al=Al3+ +3e);2)在陽極鋁表面生成鈍化膜(2Al+6OH-=Al2O3+3H2O+6e);3)氣態氧的析出(4OH-=O2+2H2O+4e);4)電解液中各組分 在陽極表面上的氧化。
2 無鉻電解拋光分析
2.1 工藝條件
材料為鋁合金板零件(45mm×40mm×2mm),主要儀器設備為可控硅整流器(100A/12V),溫度計(0～100℃),容器(2000ml)和鉛極板(60mm×40mm×3mm)。
2.2 工藝流程
工藝過程為:化學除油ϖ熱水洗ϖ冷水洗ϖ電解拋光ϖ回收ϖ去離子水洗ϖ烘干(吹干),其中化學除油是該工藝的關鍵。由于鋁無論在堿性條件或酸性條件下,都會發生不同程度的腐蝕,因此,除油可有效減少鋁合金的腐蝕。其中除油配比為:金屬凈洗劑為:5%～10%,水為:90%～95%;溫度為85～95℃;時間為:15～30min。
2.3 拋光液組分
在硫酸、草酸、酒石酸、檸檬酸、硼酸和磷酸中選擇拋光效果好,對基體腐蝕小,能夠在不通電的情況下即可在鋁合金表面迅速形成一層鈍化膜和有效阻止過腐蝕的電解拋光液組份。其中效果好的是草酸、酒石酸、硼酸和磷酸等。
2.4 拋光液緩蝕劑
試驗結果表明:選擇胺類緩蝕劑(三乙醇胺、硫脲和尿素等)在強酸和高溫下會迅速分解或揮發,緩蝕效果不明顯,有些有機化合物在溫度低時有緩蝕作用,但在高溫時易發生酯化或碳化反應;而選擇醇類緩蝕劑(甘油、丙醇、丁醇和乙醇等)時,其緩蝕效果明顯,在電解拋光液中的穩定性較強。
2.5 拋光產生的氧化物
鋁合金在電解拋光過程中,陽極表面形成了高電阻率的氧化物,其微觀分布不均勻。電解拋光示意圖如圖1所示,其中圖1a是鋁件的初始拋光狀態,金屬表面高點被腐蝕;溶解的金屬和拋光液形成圖1b中的氧化物,即在由溶解、擴散形成的體系中進行拋光,它受溶液的種類、溫度、擴散速度、電流密度等因素影響。圖1c為拋光后的表面,所以鋁合金電解拋光液組成及工藝條件的確定與氧化物的形成和擴散有著直接的關系。
圖1： 鋁及鋁合金電解拋光表面示意圖
2.6 電解拋光曲線
從圖2所示的電解拋光曲線中可以看出,在通常情況下,電解拋光過程中,電壓升高,電流密度隨之增大,在電壓升高到臨界點V1時,電壓繼續升高,電流密度則急速下降,當電壓升高到V2時,電壓和電流密度又逐漸升高。陰離子(Cx/CH2O)電解液及陽極電位對金屬活化/鈍化/去鈍化(增亮)三者之間相互 轉化關系如圖3所示。在 電壓低于V1時,陽極溶解,但完全沒有拋光作用,即活化狀態從V1起陽極表面出 現鈍化層;從V2開始陽極才產生明顯反應,同時產生強烈的極化現象,金屬出現明顯的光澤。由于受各種工藝參數的影響,V1～V3區域的寬度有所不同,有時不明顯。
圖2 電解拋光曲線
圖3 不同Cx/CH2O電解 液中陽極電位對陽極行為的影響
2.7 拋光最佳配方及最佳工藝參數
經過多年的研究和生產實踐,筆者找到了鋁合金電解拋光的最佳配方和最佳工藝參數。表1是五種具有代表性的鋁合金電解拋光生產結果的統計記錄。
鋁合金無鉻電解拋光的配方和工藝參數統計
2.8 拋光結果分析
1)電壓高于臨界點以上的無鉻電解拋光效果好。
2)無鉻電解拋光液若溫度低,擴散速度降低,拋 光時間延長;溫度太高,易使被拋光金屬產生過腐蝕。
3)電解拋光液采用磷酸、草酸、硼酸和甘油為主要成分時,拋光效果最佳。
4)根據拋光曲線,電流密度有一個最佳范圍值,電流密度太低,鋁合金表面處于活化狀態,鈍化膜尚未形成,影響表面質量。
5)攪拌可以加快電解液的擴散和對流,減少電解液局部溫度過高,提高陽極氧化膜的溶解和表面氣泡脫附的速度,防止產生條紋等缺陷,大瀝鋁材網。
3 結語
介紹鋁合金(含純鋁)無鉻電解拋光液的最佳配比和最佳工藝條件。鋁合金無鉻電解拋光具有污染小、成本低和市場競爭力強的優點。
1)鋁合金(含鈍鋁)電解拋光的拋光液最佳成分 和配方為磷酸250ml/l,草酸20g/l,硼酸100g/l,甘油適量;最佳工藝參數:溫度為80～85℃、時間為6～8min、電流密度為10～15A/dm2 和電壓在臨界點以上。
2)鋁合金(含鈍鋁)無鉻電解拋光完全可以代替 有鉻電解拋光,是具有可行性、實用性、成本低和污染小的表面處理工藝。
傳統的鋁合金電解拋光工藝為有鉻電解拋光工藝,其電鍍液處理費用高,污染環境。本文著重介紹鋁合金無鉻電解拋光工藝研究的有關內容,供參考。
1 無鉻電解拋光機理
電解拋光是金屬零件在特定條件下的陽極浸蝕過程,能降低金屬表面粗糙度而使零件表面變得光亮。鋁合金在電解拋光后的陽極表面狀態主要取決于以下四種化學反應的強弱程度:1)鋁金屬在電解拋 光液中的溶解(Al=Al3+ +3e);2)在陽極鋁表面生成鈍化膜(2Al+6OH-=Al2O3+3H2O+6e);3)氣態氧的析出(4OH-=O2+2H2O+4e);4)電解液中各組分 在陽極表面上的氧化。
2 無鉻電解拋光分析
2.1 工藝條件
材料為鋁合金板零件(45mm×40mm×2mm),主要儀器設備為可控硅整流器(100A/12V),溫度計(0～100℃),容器(2000ml)和鉛極板(60mm×40mm×3mm)。
2.2 工藝流程
工藝過程為:化學除油ϖ熱水洗ϖ冷水洗ϖ電解拋光ϖ回收ϖ去離子水洗ϖ烘干(吹干),其中化學除油是該工藝的關鍵。由于鋁無論在堿性條件或酸性條件下,都會發生不同程度的腐蝕,因此,除油可有效減少鋁合金的腐蝕。其中除油配比為:金屬凈洗劑為:5%～10%,水為:90%～95%;溫度為85～95℃;時間為:15～30min。
2.3 拋光液組分
在硫酸、草酸、酒石酸、檸檬酸、硼酸和磷酸中選擇拋光效果好,對基體腐蝕小,能夠在不通電的情況下即可在鋁合金表面迅速形成一層鈍化膜和有效阻止過腐蝕的電解拋光液組份。其中效果好的是草酸、酒石酸、硼酸和磷酸等。
2.4 拋光液緩蝕劑
試驗結果表明:選擇胺類緩蝕劑(三乙醇胺、硫脲和尿素等)在強酸和高溫下會迅速分解或揮發,緩蝕效果不明顯,有些有機化合物在溫度低時有緩蝕作用,但在高溫時易發生酯化或碳化反應;而選擇醇類緩蝕劑(甘油、丙醇、丁醇和乙醇等)時,其緩蝕效果明顯,在電解拋光液中的穩定性較強。
2.5 拋光產生的氧化物
鋁合金在電解拋光過程中,陽極表面形成了高電阻率的氧化物,其微觀分布不均勻。電解拋光示意圖如圖1所示,其中圖1a是鋁件的初始拋光狀態,金屬表面高點被腐蝕;溶解的金屬和拋光液形成圖1b中的氧化物,即在由溶解、擴散形成的體系中進行拋光,它受溶液的種類、溫度、擴散速度、電流密度等因素影響。圖1c為拋光后的表面,所以鋁合金電解拋光液組成及工藝條件的確定與氧化物的形成和擴散有著直接的關系。
圖1： 鋁及鋁合金電解拋光表面示意圖
2.6 電解拋光曲線
從圖2所示的電解拋光曲線中可以看出,在通常情況下,電解拋光過程中,電壓升高,電流密度隨之增大,在電壓升高到臨界點V1時,電壓繼續升高,電流密度則急速下降,當電壓升高到V2時,電壓和電流密度又逐漸升高。陰離子(Cx/CH2O)電解液及陽極電位對金屬活化/鈍化/去鈍化(增亮)三者之間相互 轉化關系如圖3所示。在 電壓低于V1時,陽極溶解,但完全沒有拋光作用,即活化狀態從V1起陽極表面出 現鈍化層;從V2開始陽極才產生明顯反應,同時產生強烈的極化現象,金屬出現明顯的光澤。由于受各種工藝參數的影響,V1～V3區域的寬度有所不同,有時不明顯。
圖2 電解拋光曲線
圖3 不同Cx/CH2O電解 液中陽極電位對陽極行為的影響
2.7 拋光最佳配方及最佳工藝參數
經過多年的研究和生產實踐,筆者找到了鋁合金電解拋光的最佳配方和最佳工藝參數。表1是五種具有代表性的鋁合金電解拋光生產結果的統計記錄。
鋁合金無鉻電解拋光的配方和工藝參數統計
2.8 拋光結果分析
1)電壓高于臨界點以上的無鉻電解拋光效果好。
2)無鉻電解拋光液若溫度低,擴散速度降低,拋 光時間延長;溫度太高,易使被拋光金屬產生過腐蝕。
3)電解拋光液采用磷酸、草酸、硼酸和甘油為主要成分時,拋光效果最佳。
4)根據拋光曲線,電流密度有一個最佳范圍值,電流密度太低,鋁合金表面處于活化狀態,鈍化膜尚未形成,影響表面質量。
5)攪拌可以加快電解液的擴散和對流,減少電解液局部溫度過高,提高陽極氧化膜的溶解和表面氣泡脫附的速度,防止產生條紋等缺陷,大瀝鋁材網。
3 結語
介紹鋁合金(含純鋁)無鉻電解拋光液的最佳配比和最佳工藝條件。鋁合金無鉻電解拋光具有污染小、成本低和市場競爭力強的優點。
1)鋁合金(含鈍鋁)電解拋光的拋光液最佳成分 和配方為磷酸250ml/l,草酸20g/l,硼酸100g/l,甘油適量;最佳工藝參數:溫度為80～85℃、時間為6～8min、電流密度為10～15A/dm2 和電壓在臨界點以上。
2)鋁合金(含鈍鋁)無鉻電解拋光完全可以代替 有鉻電解拋光,是具有可行性、實用性、成本低和污染小的表面處理工藝。
