鋁合金表面處理研究

1、鋁合金表面處理研究學(xué)號(hào)：20091829姓名：劉哲專(zhuān)業(yè)班級(jí)：材科09-4班2012年07月04日鋁合金表面處理研究摘要：主要介紹了鋁合金表面處理的一種方法-電鍍，并對(duì)一些預(yù)處理進(jìn)行分析與研究，知道了電鍍過(guò)程中的一些參數(shù)的最佳數(shù)值。關(guān)鍵字：表面處理、電鍍、預(yù)處理前言金屬表面復(fù)合涂層技術(shù)是指利用表面涂層工藝方法，如電鍍、化學(xué)鍍、真空熔覆、熱噴涂、氣相沉積、陽(yáng)極氧化、熱化學(xué)反應(yīng)法、溶膠-凝膠法、離子注入以及涂裝等技術(shù)，在金屬表面形成一層或數(shù)層具有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并與金屬表面結(jié)合良好的薄膜1。近年來(lái)，進(jìn)行涂覆的基體金屬及合金主要有：碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鋁合金、銅合金、鎂合金及鈦合金等。金屬表面復(fù)合

2、涂層可廣泛應(yīng)用于石油、化工、能源、機(jī)械、冶金、電子信息、航空航天及軍事裝備等領(lǐng)域，正向著多功能性和應(yīng)用性的方向發(fā)展。因此，金屬表面復(fù)合層作為新材料研究的一個(gè)重要方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。鋁在地殼中的含量?jī)H次于氧和硅,居第三位,是地殼中含量最豐富的金屬元素。鋁的產(chǎn)量在金屬中僅次于鋼鐵的。至19世紀(jì)末，鋁才嶄露頭角，成為在工程應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)力的金屬o鋁合金的加工性能好，表面經(jīng)拋光后具有良好的光反應(yīng)能力。因此，在飛機(jī)、汽車(chē)、電器、儀表、日用品等領(lǐng)域，鋁合金獲得廣泛的應(yīng)用2。然而鋁合金也存在缺點(diǎn)，主要是耐腐蝕性差，并且還有產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向，這是一種最危險(xiǎn)的腐蝕破壞。通過(guò)表面處理的途徑，即氧化或電鍍可

3、以提高鋁合金的耐蝕性，從而提高其使用性能3,對(duì)鋁和鋁合金表面制備復(fù)合涂層意義深遠(yuǎn)40國(guó)外在鋁合金表面復(fù)合涂層研究方面投入了大量人力、物力，近年來(lái)相繼出現(xiàn)了多種復(fù)合涂層。如美國(guó)為航空、航天應(yīng)用的鋁合金件開(kāi)發(fā)了“TUFRAM”涂層，它是由一般陽(yáng)極氧化膜層再滲入有機(jī)聚合物而成，表面性能優(yōu)異，在民用產(chǎn)品方面也得到了推廣5。我國(guó)在鋁合金表面復(fù)合涂層研究方面也非?；钴S。Li等6應(yīng)用化學(xué)復(fù)合鍍?cè)阡X合金表面制備出了含70vol%SiC顆粒的Ni-P-SiC復(fù)合涂層。蔣馳等7在鋁材基體上，綜合應(yīng)用等離子噴涂和電弧噴涂等熱噴涂方法，噴涂鑰、鋪、鉛等材料，制備具有輻射屏蔽效應(yīng)的多層復(fù)合涂層，涂層與基體之間結(jié)合緊密，

4、組織均勻致密，孔隙率低，滿(mǎn)足了輻射屏蔽要求。黃開(kāi)金等8采用激光熔覆在AA7075鋁合金表面熔覆了Zr-Cu-Ni-Al-TiC復(fù)合粉末，制備出Zr基復(fù)合涂層，熔覆層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性，尤其是隨著熔覆層中TiC含量的增加，耐磨性得到顯著的提高。一.鋁合金電鍍預(yù)處理復(fù)合電鍍是在電解質(zhì)溶液中加入一種或數(shù)種不溶性固體顆粒，在金屬離子被還原、形成鍍層的同時(shí)，不溶性固體顆粒均勻彌散地分布于金屬鍍層中，形成復(fù)合鍍層。采用電鍍法可以制備多種復(fù)合鍍層，主要有耐磨、自潤(rùn)滑、彌散強(qiáng)化、耐蝕性等復(fù)合鍍層以及提高有機(jī)涂層結(jié)合強(qiáng)度的中間復(fù)合鍍層。復(fù)合電鍍具有以下特點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、鍍層多樣化和分散相顆粒品種多1。1.1 掛具

5、對(duì)于鋁合金電鍍來(lái)講，掛具是先決條件，特別是大件，必須要保證足夠大的接觸面積，以保證導(dǎo)電良好，不要用鍍過(guò)銅的掛具，因?yàn)殂~觸點(diǎn)與鋁件發(fā)生銅置換而產(chǎn)生觸點(diǎn)起泡。1.2 堿蝕在保障去油、去蠟清洗干凈的前提下，堿蝕的濃度、溫度、時(shí)間控制至關(guān)重要，由于鋁在氫氧化鈉中優(yōu)先溶解，易發(fā)生過(guò)度腐蝕和堿蝕不勻現(xiàn)象。1.3 酸蝕（除垢）由于鋁合金是由銅、鐵、鎂、硅等成分組成，通常不與堿液發(fā)生反應(yīng)，所以必須通過(guò)酸蝕（除垢）工藝除掉這些氧化物，使表面裸露出潔凈金屬基體。酸蝕（除垢）液一定要控制溫度、濃度和時(shí)間這三個(gè)要素，特別溫度，這是夏季鋁合金易起泡的罪魁禍?zhǔn)?，在夏天一定要有冷凍降溫設(shè)備。對(duì)于含鎂較高的鋁合金在除垢之前必

6、須用以下工藝，才能獲得結(jié)合力良好的鍍層。以下浸蝕工藝為：硫酸15%（體積百分濃度），時(shí)間25min,溫度80C。以下除垢工藝為：硝酸50%,溫度1525C,時(shí)間12min,再沉金卒。1.4 鋁合金件必須浸鍍過(guò)渡金屬層如浸鋅、錫、鍥金屬，才能獲得結(jié)合力良好的鍍層，目前大多應(yīng)用于大量生產(chǎn)的以沉鋅為多，以二次沉鋅工藝占主導(dǎo)，這是因?yàn)橥ǔｎA(yù)浸鋅得到的鋅層粗糙多孔，結(jié)合力不好，為了進(jìn)一步提高基體與鍍層的結(jié)合力，常采用再次浸鋅，這樣得到的鋅層比較平滑致密9。沉鋅一般由市售、自配各占半壁江山，自配的以傳統(tǒng)鋅酸絡(luò)合鹽為基礎(chǔ)，再加入鐵、鍥、銅與有機(jī)絡(luò)合劑，即成了四元合金沉鋅液，自配成本相應(yīng)較低些，沉鋅液的維護(hù)與

7、管理需要注意以下幾點(diǎn)：（1）沉鋅液溫度：沉鋅最好維持在1525c之間，過(guò)高由于鋅等金屬置換過(guò)快，得到灰黑疏松、粗糙，甚至海綿狀的置換層，這種鋅置換層結(jié)合力很差。而溫度較低時(shí)，沉鋅液反應(yīng)比較溫和，鋅等合金析出量少，鋅等合金置換層均勻致密，耐蝕性能和基體的結(jié)合力大有提高，所以很多廠(chǎng)家總抱怨夏天鋁件總是起泡，其實(shí)鋁合金電鍍，豆天冷凍機(jī)是不可缺少的設(shè)備。（2）沉鋅時(shí)間：沉鋅時(shí)間與沉鋅液溫度、濃度成反比（特別是金屬離子的濃度），在沉鋅液溫度1525C,濃度20波美度時(shí)，沉鋅時(shí)間第一次1min左右，第二次30s,過(guò)長(zhǎng)會(huì)變得粗糙多孔，致密性、均勻性降低，影響后續(xù)工序。（3）嚴(yán)格控制好沉鋅的濃度，特別是堿與鋅

8、的綜合比，一般NaOH與Zn最佳比值為（1012）：1。當(dāng)堿與鋅比值過(guò)高時(shí)，置換出的鋅合金結(jié)晶細(xì)致，但在鋁合金表面沉積速度緩慢，對(duì)鋁表面溶解速度加快，電鍍后易產(chǎn)生麻點(diǎn)；當(dāng)NaOH對(duì)Zn比值過(guò)低時(shí)，在沉鋅液中浸35s,就會(huì)置換灰黑色的鋅合金，這種置換層粗糙多孔，致密性差，電鍍中途就會(huì)發(fā)現(xiàn)起泡，一般小型電鍍廠(chǎng)沉鋅液是市售的，沒(méi)有分析條件，濃度完全靠波美計(jì)測(cè)定，據(jù)本人經(jīng)驗(yàn)得出，低于15波美度，有的會(huì)出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，高于25波美度，應(yīng)縮減沉鋅時(shí)間，當(dāng)然應(yīng)考慮沉鋅液老化程度，比如，鋁在沉鋅液中會(huì)有溶解，隨其鋁溶解量的增加，溶液波美度也隨之上升，所以會(huì)產(chǎn)生誤差，如果帶出量很少的話(huà)，應(yīng)及時(shí)更換部分老液，適當(dāng)補(bǔ)

9、充新液。1.5 預(yù)鍍層（1）鋁合金電鍍必須要求有一層結(jié)晶細(xì)致，厚度均勻，無(wú)孔隙的過(guò)渡鍍層，避免在電鍍酸銅被腐蝕而起泡。2009年3月寧波市電鍍行業(yè)協(xié)會(huì)專(zhuān)家工作委員會(huì)開(kāi)會(huì)推廣HEDP無(wú)氟鍍銅工藝，取代了鋁合金通常用昂貴的預(yù)鍍鍥工藝，這是鋁合金電鍍的一次革命，值得推廣。（2）預(yù)鍍鍥由于目前鋁合金普遍采用瓦特鍍鍥液為基礎(chǔ)的預(yù)鍍鍥工藝，作為過(guò)渡層，所以一向被人們所接受。但其最大的缺點(diǎn)就是：鍍液易被鋁、鋅、鐵等金屬雜質(zhì)所污染，經(jīng)常需要電解或化學(xué)方法予以?xún)艋?，才能保證預(yù)鍍層的質(zhì)量。中性鍥：由于中性鍥pH值近中性，對(duì)工件腐蝕很小，即使少量Zn溶解，因檸檬酸鈉會(huì)隱蔽Zn,不影響鍍層。參考配方：硫酸鍥140g/

10、L、氯化鍥30g/L、檸檬酸鈉140g/L、硫酸錢(qián)35g/L、葡萄糖酸鈉30g/L、濕潤(rùn)齊1J2ml/L、pH值6.87.2、溫度5060C、電流密度23A/dm2。本人認(rèn)為先鍍中性鍥作為預(yù)鍍層，再用瓦特鍥鍍鍥加厚，這樣不但可以縮短預(yù)鍍時(shí)間，減少金屬雜質(zhì)污染，并且可使預(yù)鍍層更細(xì)致，緊密無(wú)孔隙，以保證鋁合金表面結(jié)合力耐蝕性進(jìn)一步提高，特別適用于汽車(chē)等高防腐耐用消費(fèi)品。二.電鍍參數(shù)對(duì)電鍍質(zhì)量的影響鋁合金的主要缺點(diǎn)是耐腐蝕性差，其合金容易產(chǎn)生一種潛在危險(xiǎn)的腐蝕破壞一一一晶間腐蝕100根據(jù)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果可得出不同攪拌速度下的鍍速。得知，攪拌速度對(duì)鍍速影響很大，隨攪拌速度的增大，鍍速有很大提高；但攪拌速

11、度不能過(guò)大，否則鍍速有下降的趨勢(shì)。攪拌速度低于300r/min時(shí)，鍍速隨攪拌速度的增大而增加，高于300r/min時(shí)，鍍速隨攪拌速度的增大而降低。鋁合金試樣施鍍后，在不同攪拌速度下試樣的鍍層是很多細(xì)的顆粒，結(jié)果表明，當(dāng)攪拌速度為300r/min時(shí)，鍍層表面顆粒最小，最均勻，顆粒之間結(jié)合最緊密，鍍層質(zhì)量最好。根據(jù)試驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果可得出不同電流密度下的鍍速，可知電流密度對(duì)鍍速影響很大，隨著電流密度的增大，鍍速有很大提高，但是電流密度過(guò)大時(shí)鍍速有下降的趨勢(shì)。電流密度低于3.0A/dm2時(shí)，鍍速隨電流密度值的增加而增加，高于3.0A/dm2時(shí),鍍速隨電流密度值的增加而減少。一般情況下電流密度增加其沉積速

12、度也會(huì)增加，這符合法拉第定律，但是當(dāng)電流密度過(guò)高時(shí)，溶液中消耗的鍥離子不能得到及時(shí)的補(bǔ)充，因此在電沉積過(guò)程中鍍層會(huì)出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象，效果并不理想，因此電流密度控制在3.0A/dm2為好。三.鋁合金電鍍的應(yīng)用作為汽車(chē)安全件的鋁合金輪轂，不但在車(chē)輛行駛過(guò)程中需要承受整車(chē)車(chē)身重量和過(guò)載壓力，而且還要求具有比整車(chē)壽命更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間；同時(shí)輪轂在平衡整車(chē)外形美觀方面也發(fā)揮著舉足輕重的作用，所以輪轂的表面處理技術(shù)在提高輪轂?zāi)透g性、提高抗石擊能力和增加美觀效果等方面，都顯得尤為重要。目前，鋁合金輪轂表面處理工藝主要分為涂裝（噴漆或噴粉）和電鍍兩大類(lèi)，過(guò)去那種單純的陽(yáng)極氧化膜處理工藝已逐步被淘汰。鋁輪轂電鍍最早興

13、起于美國(guó)，高檔汽車(chē)配上這樣的輪轂顯得華麗而且與眾不同，主要原因是鋁的輕質(zhì)與裝飾銘外觀的完美結(jié)合。鍍銘工藝主要流程為：除油-清洗-酸蝕-預(yù)鍍鋅-預(yù)鍍暗鍥預(yù)鍍亮銅-清洗-活化-鍥封-鍍銘清洗-吹積水-烘干，電鍍?cè)O(shè)備可采用連續(xù)通過(guò)式或步進(jìn)式的電泳槽，但這樣的傳統(tǒng)電鍍工藝由于使用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及氟化物、銘?hù)扔卸居泻瘜W(xué)品，產(chǎn)生的廢水成分復(fù)雜，對(duì)環(huán)境影響很大。隨著社會(huì)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，大力發(fā)展環(huán)保產(chǎn)品才能真正促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，任何犧牲環(huán)保與浪費(fèi)資源的發(fā)展都只能是短暫的，所以近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外都加大了對(duì)鋁輪轂表面處理的研究，新技術(shù)、新工藝也層出不窮。此外，鋁合金因密度小，比強(qiáng)度高，可以采用壓鑄技術(shù)高速地生產(chǎn)尺寸精度

14、高、形狀復(fù)雜和質(zhì)量輕的零部件，從而在航空及建筑等領(lǐng)域獲得廣泛使用11。結(jié)語(yǔ)與展望新的涂層技術(shù)層出不窮，并朝著高精密和智能化方向發(fā)展，如超聲火焰噴涂、激光熔覆、真空燒結(jié)和激光誘導(dǎo)WD法等；同時(shí)也研制出了許多新的復(fù)合涂層，并向著多功能性和實(shí)用性的方向發(fā)展。金屬表面復(fù)合涂層無(wú)疑具有很大的潛力和良好的發(fā)展前景，但也存在一些需要進(jìn)一步探討和亟待解決的問(wèn)題：繼續(xù)完善現(xiàn)行工藝的研究，制備出性能更佳、品種更多的復(fù)合涂層，并加大涂層的實(shí)際應(yīng)用和規(guī)模化生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)；進(jìn)一步深入研究解決復(fù)合涂層與基體金屬之間的附著力差、涂層失效機(jī)理、涂層性能測(cè)定及涂層穩(wěn)定性模擬等問(wèn)題；發(fā)展節(jié)能、清潔、無(wú)污染、工序簡(jiǎn)便、成本低和生產(chǎn)效率

15、高的新工藝，應(yīng)是今后的發(fā)展方向；涂層多組元、納米化、梯度化、微疊層、無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化及多功能化應(yīng)作為以后研究的重點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1宣天鵬.材料表面功能鍍覆層及其應(yīng)用M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.7-16.2馮立明，王明，孫華等.電鍍工藝與設(shè)備M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:242-243.3張宏祥，王為.電鍍工藝學(xué)M.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，2002:304-305.4孫萬(wàn)昌，張磊，張哈，盧建華.金屬表面復(fù)合層研究進(jìn)展J.材料熱處理技術(shù),2011,40(16):75-77.5夏玉平，張之秀.鋁合金陽(yáng)極氧化特種復(fù)合涂層工藝研究J.兵器材料科學(xué)與工程，2000,23(2):66-71.6LiLB,AnMZ.Electrolessnickel-phosphorusplatingonSiCP/AlcompositefromacidbathwithnickelactivationJ.J.ofAlloyCompd,2008,461:85-91.7蔣馳，張鵬程，肖云峰，等