由于在大气中铝合金表面往往会形成一层附着力强、致密的、具有一定保护性的自然氧化膜,因此在一般环境中铝合金具有良好的耐蚀性。但这层自然氧化膜一般很薄,只有0.01~0.05μm,在使用中极易擦伤而引起基体腐蚀;另外,由于铝本身的电极电位很负,在某些环境介质中,与其他异种金属相接触时,容易作为阳极而发生严重的电偶腐蚀,这些远不能满足工业环境的使用要求,因此,铝合金在使用前必须进行适当的表面处理以提高其耐蚀性能。目前,对铝合金进行表面处理以提高其耐蚀性的方法有很多,主要有化学转化、阳极氧化、微弧氧化、化学镀、电镀及涂装等方法。
一、化学转化
化学转化是在不通电的情况下,将铝及铝合金浸入化学溶液中,通过氧化反应在铝及铝合金表面生成一层结合力良好的不溶性氧化膜。与自然氧化膜相比,化学转化膜厚度要大100~200倍,且具有工艺简单、成本低廉、与漆膜附着力良好等优点,因而备受人们的青睐。然而,化学转化膜一般薄(0.5~3μm)而软,耐磨性较差,故一般只用作防蚀漆膜的底层。不过打样可以采用这个工艺来代替阳极氧化看看效果。
这里提一句钝化工艺,对于有盐雾要求但没有外观要求的零件很适合,很便宜!
给大家做个对比:
- 膜的厚度与性质:化学氧化膜较厚、致密,具有较高的硬度和耐磨性;而钝化膜较薄,主要起到防止腐蚀的作用,通常不增强硬度。
- 作用与效果:化学氧化可以增强铝合金的硬度、耐磨性、耐腐蚀性和美观性;钝化则侧重于防止腐蚀,通常不增强其他机械性能。
- 应用:化学氧化常用于需要增强硬度和美观的场合(如航空、建筑等);钝化常用于轻度防腐蚀要求的场合,尤其是在要求不显著改变表面性能的情况下。
二、阳极氧化
这是目前消费电子中铝合金最流行的处理方式,被苹果开发后,大家争先恐后的致敬!
阳极氧化实质上就是一个电化学氧化的过程,在电解液中,铝及其合金作为阳极,通电后发生氧化反应,在其表面生成Al2O3层,其示意见图
铝阳极氧化工艺相对比较成熟,根据电解液成分的不同,主要分为:硫酸型、铬酸型、草酸型、磷酸型、硼酸型和混合酸型等。铝在不同电解液中氧化可以获得性质不同的氧化膜,其中,硫酸阳极氧化和铬酸阳极氧化工艺对改善铝合金的耐蚀性效果显著。然而,二者仍存在不同程度的缺点,硫酸阳极氧化膜质硬,会大幅降低铝合金基体的疲劳性能,铬酸阳极氧化工艺会污染环境,因此,为了兼顾铝合金的耐蚀性和疲劳性能,波音公司提出了硼酸-硫酸阳极氧化工艺,并且该工艺的应用越来越广泛。
(1)硫酸阳极氧化 硫酸阳极氧化工艺应用最为广泛,几乎适用于所有铝及铝合金的表面处理,它是将铝合金置于10%~20%的H2SO4溶液中,通以直流电或交流电进行阳极化处理。用该方法处理后一般可以获得5~20μm厚、无色透明的氧化膜,膜层耐蚀性良好,且具有较高的孔隙率(平均为10%~15%)和很强的吸附能力,极易染上各种颜色,便于着色、封闭或者涂装,因此常用作涂装底层或装饰性膜层。但硫酸阳极氧化膜质硬,会降低铝合金基材的疲劳强度,因此限制了其应用。表中是常用的硫酸阳极氧化配方及工艺参数。
(2)铬酸阳极氧化 铬酸阳极氧化是将铝合金置于3%~10%的铬酸电解液中,通以直流电,采用恒电压法进行阳极氧化。铬酸氧化膜通常比较薄,只有2~5μm厚,耐磨性稍差,但膜层具有较高的弹性,孔隙率低,不需封闭处理就具有良好的耐蚀性,而且也不会降低材料本身的疲劳性能,因此多用于航空、航天产品中。但由于铬酸会污染环境和危害人体,因此其使用受到了限制。表中是常用的铬酸阳极氧化配方及工艺参数。
(3)磷酸阳极氧化 铝合金在10%~20%的磷酸溶液中直流电解,也可以生成阳极氧化膜。该膜层一般孔隙率较高,附着性能良好,且具有一定的导电能力,是涂装、电镀的良好底层。同时,该膜层与胶黏剂的结合力要好于铬酸氧化膜、化学氧化膜,因此磷酸阳极氧化广泛应用于航空工业中铝合金胶接的预处理。表中是常用的磷酸阳极氧化配方及工艺参数。
(4)硼酸-硫酸阳极氧化 硼酸-硫酸阳极氧化是由C.M.Wong等于1990年取得的一项专利工艺(BAC5632)。他们提出,在3%~5%H2SO4、0.5%~1%H3BO3电解液中,室温下阳极氧化20~25min可获得膜重为21.5~64.6mg/dm2的氧化膜。该膜层具有优良的耐蚀性和与涂层的结合力,而且也不会引起基体的应力疲劳损失。经稀铬酸溶液(CrO3 70mg/L,pH=3.5,90~95℃,20min)封闭后可通过700h以上的中性盐雾试验;其疲劳寿命明显高于硫酸阳极氧化膜,接近于铬酸阳极氧化膜。
虽然阳极氧化能够显著改善铝合金的耐蚀性,提高其表面强度和耐磨性,但是铝合金阳极氧化膜往往是多孔膜,表面具有很多孔隙。这些微孔具有极强的化学活性和物理吸附性能,容易吸附大气中的污染物和腐蚀介质而导致氧化膜的腐蚀,因此,必须采用适当的方法对阳极氧化膜进行封闭处理,以提高其防护性能。
目前,常用的阳极氧化膜封闭方法主要有水合封闭法、铬酸盐封闭法、水解盐封闭法和常温金属盐封闭法等。
(1)沸水封闭 沸水封闭是将阳极氧化膜在纯净的沸水中处理一段时间,其本质就是水合反应。一般认为,沸水封孔就是由于高活性的无水氧化铝和水化合,生成含水的、结晶态的水铝石,造成体积膨胀而将氧化膜孔隙封住。
(2)水蒸气封闭 水蒸气封闭是将阳极氧化后的工件放置在水蒸气下封孔的一种工艺。其封孔机理与沸水封孔相同,都属于热-水合封孔。但相比于沸水封孔,高温水蒸气封孔速度更快,对水质要求较低,对pH值的依赖性较小,且不易产生“白灰”,封孔的外观质量好。
(3)铬酸盐封闭 铬酸盐封闭,是将阳极氧化后的工件置于高温的铬酸或重铬酸盐溶液中进行封闭。其封闭原理一般认为由两个反应过程组成:一是铬酸盐与氧化膜的反应,生成碱式铬酸铝;二是氧化膜的水化作用,使氧化膜体积膨胀而封闭孔隙。
(4)水解盐封闭 水解盐封闭法主要应用于防护装饰性氧化膜着色后的封闭。它是在接近中性和加热的条件下,使极稀的镍盐、钴盐溶液被氧化膜吸附,随即发生水解反应,生成的氢氧化镍或氢氧化钴沉积在氧化膜的微孔中而将孔隙封闭。
5)稀土封闭工艺 稀土盐封闭技术是在稀土转化膜工艺的基础上,国内外学者近年来提出的一种铝合金阳极氧化膜封闭新技术。它就是将阳极氧化后的工件置于稀土金属盐(Ce、Yi、La等)溶液中,稀土金属离子(Ce3+、Yi3+等)通过扩散作用进入膜孔中,由于稀土元素对铝合金有很好的缓蚀作用,从而提高膜层的耐蚀性。
一般散热器我会选用阳极氧化黑色来防腐蚀,同时增加辐射换热也不会降低表面的换热系数。
三、微弧氧化
微弧氧化(micro-arc oxidation,MAO),又称等离子体电解阳极化(plasma electrolytic oxidation,PEO),它是将铝、镁、钛及其合金置于电解质溶液中使其表面产生弧光放电,在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下在铝合金表面原位生长一层陶瓷膜。
一般认为,微弧氧化的基本原理类似于阳极氧化,所不同的是利用等离子弧光放电增强了在阳极上发生的化学反应。铝合金的微弧氧化可以简单地归纳为三个过程:阳极氧化阶段、火花放电阶段、微弧氧化阶段。
四、金属镀层
1、电镀层
电镀是一种传统的表面改性技术。它是在直流电的作用下,将电解液中的金属离子还原并沉积到零件表面,从而形成具有一定性能的金属镀层的过程。通过电镀可以显著改善金属材料的耐蚀性、耐磨性,甚至可以赋予材料某些独特的性能。也就是说,电镀层不仅可以赋予铝合金良好的耐蚀性、耐磨性,同时还可以保持铝合金自身良好的导电性和导热性,因此工业上广泛采用电镀对铝合金进行表面处理。
然而,对铝及铝合金进行电镀并不像钢铁材料那样容易。这是由于铝合金对氧的亲和力很大,表面总是存在自然氧化膜,因此电镀层与铝合金的附着力很差;另外,对于铸造铝合金,其表面常伴有砂眼等缺陷,在电镀过程中易渗入电解液和气体,容易出现严重针孔,引起局部黑斑和鼓泡。因此,要在铝合金上获得良好的镀层,优质的镀前处理十分关键。一般要在铝合金基体上涂覆一层与基体结合牢固的底层或中间层,然后才能实施电镀。
一般咱们在压铸件上可以使用电镀工艺多一点,镀镍、镀锌、镀铬等都能得到不同的表面效果和盐雾等级。
2、化学镀层
化学镀主要是利用合适的还原剂,使溶液中的金属离子有选择地在经催化活化的表面上还原析出成金属镀层的一种化学处理方法。对于铝合金,为了提高其耐蚀性,常在其表面通过化学镀获得Ni-P合金层。但由于铝合金对氧的高亲和力,与电镀一样,铝合金在化学镀前也须进行合适的化学预处理,主要有条件化活化处理和二次浸锌处理。
铝合金化学镀镍是在强还原剂次亚磷酸钠的作用下,使溶液中的镍离子还原成金属镍,同时次亚磷酸盐分解析出磷,因而在预处理的铝表面上,获得Ni-P合金镀层。目前,常见的铝合金化学镀镍液主要分为酸性镀液和碱性镀液两类,其中,酸性化学镀镍还原速度快,镀层耐蚀性良好,应用较为广泛,典型的酸性化学镀镍溶液见表。
此外,由于化学镀镍反应会析出氢气,因此化学镀镍后为了脱除化学镀处理中吸收的氢气,并消除化学镀镍层中的内应力,提高化学镀镍层的附着性,一般需在130~150℃加热处理1h。鉴于化学镀镍层中含磷量的不同,为了考虑镀层硬度,具体的热处理工艺可根据铝合金类型、化学镀镍层的磷含量、镀镍层的硬度要求等因素综合考虑而定。
除了化学镀Ni-P合金外,有学者在化学镀镍溶液中加入W、SiC、金刚石等获得Ni-W-P、Ni-Co-P、Ni-P-SiC等复合镀层,多元合金或复合粒子的加入有效改善了Ni-P镀层的耐蚀性和耐磨性。
五、有机涂层
经过阳极氧化、化学氧化及着色处理的铝材,为了提高其耐蚀性和装饰效果,可进行有机涂层处理。有机涂层对阳极氧化和电解着色的多孔质氧化膜还兼有封孔作用。近年来,有机涂料有了很大发展,研制出了具有透明性、耐候性、耐酸碱腐蚀的合成树脂涂料,从而促进了有机涂层技术的发展。同时,先进的电泳涂接、浸渍涂漆和静电粉末喷涂工艺,为有机涂层技术的发展奠定了基础。目前,有机涂层技术已成为提高家用电器铝材、建筑铝材表面耐蚀性和装饰性的重要处理技术。
1、电泳涂装
铝合金经阳极氧化处理后,再通过电泳涂装可以获得表面有机聚合物膜层,从而大幅提高铝及铝合金的耐腐蚀性能。由于电泳涂漆的漆液以水作为分散介质,所以不存在挥发性有机化合物(VOC)的大气污染问题;且电泳涂漆膜层厚度易于控制,膜层致密、厚度均匀,对复杂工件的覆盖性特别好,成膜率非常高;具有节能、降耗、环保的特点,因此,阳极氧化/电泳涂漆复合技术越来越多地被用于铝及铝合金的表面处理。
铝合金的电泳涂漆一般在铝阳极氧化膜的表面进行,作为底层的阳极氧化膜,其阳极氧化工艺与常规阳极氧化相同。从这一意义上考虑,可以将电泳涂漆看作铝阳极氧化膜的一种有机聚合物封孔过程。
2、静电粉末喷涂
建筑用铝合金的粉末喷涂和液相喷漆通常采用静电粉末喷涂(主要采用聚酯/TGIC粉末)和静电液相喷涂(建筑铝合金主要采用高性能的偏二氟乙烯树脂漆,即PVDF树脂漆)两种方式。静电喷涂层厚度可控性、喷涂膜的覆盖率等均不如电泳涂装膜,因此国内外标准通常只规定喷涂膜(尤其是粉末喷涂膜)的厚度下限,对于厚度上限一般不做硬性规定。
3、静电液相喷涂
静电液相喷涂俗称静电喷漆,其特点是喷涂效率高、涂膜均匀、表面平滑,已逐渐成为大生产中广泛采用的一种涂装工艺。液相静电喷涂的涂料是一种液态物质,通过静电喷涂将其涂布在铝合金基材的表面上,经过烘烤固化处理后,形成具有附着力的固态漆膜。液相涂料的成分主要有树脂、颜料和有机溶剂,有机溶剂一般在涂覆完成之后全部挥发。由于挥发性有机溶剂有毒性,且易着火,因此液相喷涂不如粉末喷涂理想。
六、喷砂
利用高速砂流的冲击作用清理和粗化金属表面的过程。这种方法的铝件表面处理能够使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,所用砂的种类一般为80#—320#,数值越大,砂越小。 铝合金外壳表面砂粒的粗糙度由砂粒的种类和爆破压力的大小决定。 同等压力下,砂值越大,表面越细;砂型相同时,压力越大,表面越粗糙。且使工件表面的机械性能得到改善,因此提高了工件的抗疲劳性,增加了它和涂层之间的附着力,延长了涂膜的耐久性,也有利于涂料的流平和装饰。所用砂的种类一般为80#—320#,数值越大,砂越小。铝合金外壳表面砂粒的粗糙度由砂粒的种类和爆破压力的大小决定。同等压力下,砂值越大,表面越细;砂型相同时,压力越大,表面越粗糙。
七、拉丝
金属拉丝是反复用砂纸将铝板刮出线条的制造过程。拉丝可分为直纹拉丝、乱纹拉丝、旋纹拉丝、螺纹拉丝。金属加工微信,内容不错,值得关注。金属拉丝工艺,可以清晰显现每一根细微丝痕,从而使金属哑光中泛出细密的发丝光泽,产品兼备时尚和科技感。
八、抛光
利用机械、化学或电化学的方法,使工件表面粗糙度降低,以获得光亮、平整表面的加工方法。抛光工艺主要分为:机械抛光、化学抛光、电解抛光。铝件采用机械抛光+电解抛光后能接近不锈钢镜面效果,给人以高档简约、时尚未来的感觉(当然易留下指纹还要多加呵护)。
九、高光切割
采用精雕机将钻石刀加固在高速旋转(一般转速为20000转/分)的精雕机主轴上去切削零件,在产品表面产生局部的高亮区域。切削高光的亮度受铣削钻头速度的影响,钻头速度越快切削的高光越亮,反之则越暗并容易产生刀纹。金属加工微信,内容不错,值得关注。高光高光切削在手机的运用中特别多,如iphone5,近年来部分高端电视机金属边框采用了高光铣削工艺,加之阳极氧化及拉丝工艺使得电视机整体充满了时尚感与科技的锐利感。