鋁合金表面處理的方法及應用
對鋁及其合金進行表面處理產生的氧化膜具有裝飾效果、防護性能和特殊功能,可以改善鋁及其合金導電、導熱、耐磨、耐腐蝕以及光學性能等。因此,國內外研究人員運用各種方法對其進行表面處理,以提高它的綜合性能,並取得了很大進展。目前,鋁及其合金材料已廣泛地應用於建築、航空和軍事等領域中。本文分類論述了鋁及其合金材料表面處理的主要方法。
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1· 化學轉化膜處理
金屬表面處理工業中的化學轉化處理時使金屬與特定的腐蝕液接觸，在一定條件下，金屬表面的外層原子核腐蝕液中的離子發生化學或電化學反應，在金屬表面形成一層附著力良好的難溶的腐蝕生成物膜層。換言之，化學轉化處理是一種通過除去金屬表面自然形成的氧化膜而在其表面代之以一層防腐性能更好、與有機塗層結合力更佳的新的氧化膜或其他化合物的技術。
1.1 陽極氧化法
鋁的陽極氧化法是把鋁作為陽極,置於硫酸等電解液中,施加陽極電壓進行電解,在鋁的表面形成一層緻密的Al2O3膜,該膜是由緻密的阻礙層和柱狀結構的多孔層組成的雙層結構。陽極氧化時,氧化膜的形成過程包括膜的電化學生成和膜的化學溶解兩個同時進行的過程。當成膜速度大於溶解速度時,膜才得以形成和成長。通過降低膜的溶解速度,可以提高膜的緻密度。氧化膜的性能是由膜孔的緻密度決定的。
1.1.1 硬質陽極氧化
鋁的硬質陽極氧化是在鋁進行陽極氧化時,通過適當的方法,降低膜的溶解速度,獲得更厚、更緻密的氧化膜。常規的方法是低溫(一般為0 ℃左右)和低硫酸濃度(如<10%H2SO4)的條件下進行,生產過程存在能耗大、成本高的缺點。
改善硬質陽極氧化膜的另一種方法是改變電源的電流波形。氧化膜的電阻很大,氧化過程中產生大量的熱量,因此,傳統直流氧化電流不宜過大,運用脈衝電流或脈衝電流與直流電流相疊加,可以極大地降低陽極氧化所需要的電壓,並且可使用更高的電流密度,同時還可以通過調節佔空比和峰值電壓,來提高膜的生長速度,改善膜的生成質量,獲得性能優良的氧化膜。
1.1.2複合陽極氧化
複合陽極氧化法是一種新型的陽極氧化技術。日本的吉村長藏等[4]往鋁陽極氧化液中添加一些難溶粉體,發現氧化膜的厚度,硬度均有很大變化。曾凌三、梁東[5]也做了類似的實驗,結果發現這些難溶粉體表面帶電狀態和膜層表面之間發生電化學反應,粉體沉積在膜層中,同時也有一部分粉體在機械攪拌作用下進入膜孔內,氧化膜的性能改變取決於粉體的性質和懸浮濃度。
1.2 化學氧化法
在一定溫度下，通過化學反應在率零件表面生成一層薄的氧化膜，稱為綠的化學氧化法。廣義的化學氧化法包括重鉻酸鹽等氧化劑參與的化學氧化膜。這種方法不需要通過電流，工藝上的電化學氧化法要簡單，成本低。所生成的氧化膜很薄，一般膜的厚度約0.5~4um，膜層質軟，耐磨性低，故不能單獨使用。膜層有較好的物理吸附能力，是塗層的良好底層，經化學氧化後在塗裝所得的防護層，課大大提高鋁零件的防護能力。
1.3 稀土轉化膜
顯示了良好的應用前把鋁置於鉻酸鹽、錳酸鹽、鉬酸鹽等溶液中數分鐘,表面即可形成與鋁基體表面結合良好的轉化膜。其中應用最廣泛的是鉻酸鹽轉化膜,但六價鉻有劇毒和致癌作用,在使用上受到嚴格限制,稀土轉化膜正是適應當前環保的要求而受到研究人員的關注。
Hinton等[6]首先把7075鋁合金置於含有少量CeCl3的NaCl溶液中一段時間,發現鋁合金表面形成具有高耐蝕性的轉化膜。這種方法得到的轉化膜需要一周時間。在此後,國內外的研究集中在減少成膜時間和改善膜層質量上,並且已取得很大進展。總之,稀土轉化膜在機理、工藝方面還不成熟,有待於進一步研究,但它以其優良的抗蝕性和工藝上無毒無污染的特點,顯示了良好的應用前景。我國稀土資源豐富,更應有廣泛的應用價值。
稀土轉化膜在機理、工藝方面還不成熟，有待於進一步研究，但它以其優良的抗蝕性和工藝上無毒無污染的特點，景。我國稀土資源豐富，更應有廣泛的應用價值。
1.4 微弧氧化法
微弧氧化又稱等離子體氧化,是在陽極氧化基礎上,在金屬基表面原位生長陶瓷層的一種表面處理技術。當陽極氧化電壓達到某一臨界時,材料表面氧化層被擊穿,產生弧光放電,並產生瞬間高溫(>2000 ℃ ),氧化膜在高溫高壓作用下熔融,等離子弧消失後,熔融物激冷而形成非金屬Al2O3陶瓷層[10]。該陶瓷層厚達200 μ m以上,最高硬度達3000HV以上,並且耐磨、耐腐蝕、耐高溫衝擊等性能均優於陽極氧化膜。微弧氧化的機理目前還不完全清楚,但它具有工藝簡單,不引入毒物,氧化膜性能優良而受到人們重視。
1.5 有機矽烷化處理
有機矽烷化處理是近年來發展起來的一種新型金屬表面防護性工藝，由於無污染、處理件耐性蝕好，受到人們的青睞。該工藝是基於一種可水解生成矽醇的矽烷試劑。有機矽烷課與基底鋁合金形成極強的Me-O-Si鍵，而矽烷的有機部分又可與表面聚合物塗層（底漆）形成磷化底漆處理化學鍵結合，矽氧烷鍵的形成可大大提高表面聚合物塗層與基體鋁合金的結合力，同時也使鋁合金的抗腐蝕性得以提高。
矽烷化處理傳統上採用浸塗工藝，把鋁合金浸入在這種稀得矽烷溶液中一定時間，隨後在一定溫度下固化，即可在鋁合金表面形成幾百米厚的塗層(固化比傳統轉變塗層薄的多)，該塗層可以有效的防止鋁合金發生各種形式的腐蝕。胡吉明等採用電化學技術在LY12鋁合金表面沉積製備了十二烷基三甲氧基矽烷（DTMS）膜。反射吸收光譜表明，DTMS矽烷試劑與鋁合金基體表面發生了化學鍵合作用，生成SiOAl鍵實現成膜。電化學阻抗譜（EIS）測試結果表明，與開路電位下相比，採用陰極電位沉積方法得到的矽烷膜的耐腐蝕性能有明顯提高。
1.6 電泳塗漆處理
電泳塗漆起源於日本，實際也是在陽極氧化基礎上的一步深加工處理。電泳塗層兼有陽極氧化膜和聚合物塗層雙層有點。電泳塗漆是把共建和對應電極放入水溶性樹脂製成電泳漆液中，接上直流電源後，在電場的作用下，塗料在工件上沉積形成均勻膜的一種工藝，具有漆膜均勻、附著力強、塗料利用率高、施工速度快等有點。而且對於異形型材也有很好的塗裝效果。
1.7 磷化底漆處理
在鋁合金表面塗磷化底漆是在鋁磷化的同時形成漆膜，磷化底漆本身不能單獨起到底漆作用，是一種表面預處理方法，主要用在不能進行陽極氧化或化學氧化部件。
磷化底漆的基料，組分一以聚乙烯醇縮丁醛樹脂為主，加有鉻酸鹽等防銹顏料和助劑，組分二為磷酸，使用前將兩組分按規定比例混合均勻，噴漆在鋁板表面時一部分磷酸與金屬鋁結合，使金屬表面和塗層系統中的底漆具有良好的結合能力。但是，磷化底漆對施工條件要求高，稍不小心，就會造成漆膜變脆，造成大規模掉漆的嚴重後果。
2·激光處理
利用高能量激光器在鋁合金表面進行熔覆處理是近幾年發展起來的一種表面改性技術,通過激光處理,可以提高其耐磨性、耐蝕性和耐熱性。激光處理通常有兩種方法:一種是對預塗覆的塗層進行激光重熔處理。另一種進行激光熔覆的方法是直接送粉熔覆。由於鋁對紅外激光的高反射率直接送粉進行激光熔覆是極為困難的,李言祥、沈文指出了激光熔覆陶瓷層的機理和工藝條件[14]:在激光輻照鋁表面的同時,送粉位置適當情況下,在基體上方產生等離子弧,該弧與激光束(功率密度≥ 5 × 104kW/cm2)共同作用,可成功實現陶瓷熔覆。
3·離子注入
離子注入法是70年代發展起來的一種表面改性技術,目前已成功地在鋼、鈦合金等基體表面注入Ti、C、N等元素,提高了基體材料的耐磨性和耐蝕性,並已投入到生產中。近幾年,研究人員也進行了在鋁材表面進行離子注入的研究,取得了一定進展。司雲森、孫勇等[15]研究了在H2SO4溶液中,表面注入Pb的鋁電極的電化學性能。該實驗表明:在H2SO4溶液中,離子注入鉛的鋁電極具有良好的耐腐蝕性能,有望把鋁或鋁合金的應用範圍推廣到濕法冶金和電鍍等行業。
4·熱噴塗
針對鋁合金硬度低、耐磨性差,受損時失效快等缺點,熱噴塗的高抗磨性正好可以彌補它的這些缺點.熱噴塗層中所含的氧化物、氮化物等第二相粒子均可增加塗層硬度,提高耐磨性,而塗層孔隙尚能保持一層潤滑膜,還能容納因磨損所產生的碎屑,從而使接觸面積保持清潔,起到減磨作用[21]。
清華大學李言祥[22]等研究了鋁基體首先等離子噴塗複合陶瓷塗層,然後激光二次熔覆氧化鋁粉末。大連理工大學的徐榮正等[23]採用電弧噴塗工藝在6061鋁合金基體表面噴塗高純鋁塗層,結果表明,電弧噴塗技術可以在6061鋁合金基體表面形成均勻、緻密、孔隙率低、結合良好的高純鋁塗層;高純鋁塗層耐腐蝕性較好,對鋁合金基體起到了保護作用,塗層經過封孔工藝處理後保護作用更好。
5·離子束處理
5.1 等離子體浸沒離子注入
針對鋁合金早期離子注入技術主要用於氮離子注入,注入層較淺,改性效果有限的缺點[13]。近幾年的研究中人們發現在離子注入氮的同時注入Ti、Ta、Zr等強氮化合物形成元素,可以改善注入效果,金屬等離子體基離子注入對此提供了有效的方法.哈爾濱工業大學的廖家軒等[25]在離子注入氮的基礎上進行了等離子體基離子復合注入氮和鈦的嘗試,發現鋁合金表面硬度、摩擦係數及耐磨性都顯著改善,粘著磨損程度顯著減輕.此外,哈爾濱工業大學的湯寶寅[14]等人通過在不同溫度下對6061鋁合金分別進行了氮、氧等離子體浸沒離子注入處理,氮與氫混合氣體等離子體浸沒離子注入處理,以及在氮氣氛中的鈦或鋁等離子體浸沒離子注入與沈積處理,通過對得到的表面改性層的分析研究發現經氧離子注入處理後,抗磨性能顯著改善;經高溫氧離子注入試樣的耐磨壽命最長;經氮、氫離子混合注入處理後鋁合金的表面性能更優,摩擦係數可降到至0.1,耐磨壽命提高了約5倍。
5.2 磁控濺射
磁控濺射是一種高速率低基片溫升的成膜新技術,沉積顆粒一般在納米級,應用非常廣泛。王齊偉等[27]通過直流平面磁控濺射系統,在6063鋁合金上鍍覆一層(TixAly)N硬質薄膜,來增強了鋁合金的表面強度。薄膜的成分主要以TiN、Ti3AlN形式存在,結合良好;顯微硬度明顯提高,膜層表面均勻且緻密性良好。李華平[28]等利用磁控濺射系統在6061鋁材上製備了3 μ m的AlN薄膜,達到了納米級。XRD、橢偏測試及耐壓測試結果表明,AlN膜為具有良好取向的多晶薄膜,擊穿電壓高達100 V/ μ m.利用自動划痕儀對AlN膜進行剝離實驗,臨界載荷為6 N左右。
5.3 雙層輝光離子滲金屬
雙層輝光離子滲金屬技術是太原理工大學徐重教授[29]發明的一項具有中國自主知識產權的創新性技術。該技術已經在美、英、澳、日等國取得了專利權,其原理是在真空室內設置陰極和源極,利用輝光放電現象濺射出源極上的金屬粒子,沉積到陰極(工件)上,利用轟擊和熱擴散在工件表面形成滲鍍合金層,達到改善材料表面性能的目的。利用該技術在鋁合金的表面滲鍍鈦等合金元素達到了改善鋁合金表面性能的目的。
6·複合技術
現在使用更多的是一種所謂的複合技術,就是集合各種技術的優點,避免其缺點,從而得到更加理想的表面處理結果。如加弧輝光技術、離子束聯合濺射技術等,離子束聯合濺射技術中將磁控濺射與離子注入,離子濺射結合有速度快、溫度低、結合力好等優點.還有將激光與濺射結合等。
7·結語
隨著鋁合金應用的日益廣泛,對鋁合金表面處理的要求也會越來越高,對鋁合金表面處理的機理、製備工藝、基體與表面層的界面行為的研究會更加深入,性能更優良的表面保護膜在生產中得到進一步應用。
利豐行著重於表面處理之研磨拋光前後製程技術，提供客戶individual & total finishing solutions 的整合作業，協助產業提升效能並降低成本。 提供精密表面處理技術皆集中於研磨,拋光, PVD鍍膜/退鍍和EMAG集團相關ECM/PEM精密電化學加工,硬車削,滾齒, 刮齒, 齒輪加工, 內外圓研磨,曲柄軸研磨,凸輪軸,非圓曲面研磨,中心加工機技術.
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