铝合金表面处理的研究现状.doc

铝合金表面处理方法及应用
简彩娣 指导老师: 宋世涛
（河北科技师范学院 理化学院 化学0701班）
摘要: 综述了铝及铝合金表面处理技术研究进展,讨论了铝及其合金表面处理多种方法,并对它应用前景进行了简述。
关键字: 铝合金; 表面处理; 应用前景
0 序言
对铝及其合金进行表面处理产生氧化膜含有装饰效果、 防护性能和特殊功效,能够改善铝及其合金导电、 导热、 耐磨、 耐腐蚀以及光学性能等。所以,中国外研究人员利用多种方法对其进行表面处理,以提升它综合性能,并取得了很大进展。现在,铝及其合金材料已广泛地应用于建筑、 航空和军事等领域中。本文分类叙述了铝及其合金材料表面处理
关键方法。
1 化学转化膜处理
金属表面处理工业中化学转化处理时使金属与特定腐蚀液接触, 在一定条件下, 金属表面外层原子核腐蚀液中离子发生化学或电化学反应, 在金属表面形成一层附着力良好难溶腐蚀生成物膜层。换言之, 化学转化处理是一个经过除去金属表面 自然形成氧化膜而在其表面代之以一层防腐性能愈加好、 与有机涂层结协力更佳新氧化膜或其她化合物技术。
1.1 阳极氧化法
铝阳极氧化法是把铝作为阳极,置于硫酸等电解液中,施加阳极电压进行电解,在铝表面形成一层致密Al2O3膜,该膜是由致密阻碍层和柱状结构多孔层组成双层结构。阳极氧化时,氧化膜形成过程包含膜电化学生成和膜化学溶解两个同时进行过程。当成膜速度大于溶解速度时,膜才得以形成和成长。经过降低膜溶解速度,能够提升膜致密度。氧化膜性能是由膜孔致密度决定。
1.1.1 硬质阳极氧化 铝硬质阳极氧化是在铝进行阳极氧化时,经过合适方法,降低膜溶解速度,取得更厚、 更致密氧化膜。常规方法是低温(通常为0℃左右)和低硫酸浓度(如<10%H2SO4)条件下进行,生产过程存在能耗大、 成本高缺点。
改善硬质阳极氧化膜另一个方法是改变电源电流波形。氧化膜电阻很大,氧化过程中产生大量热量,所以,传统直流氧化电流不宜过大,利用脉冲电流或脉冲电流与直流电流相叠加,能够极大地降低阳极氧化所需要电压,而且可使用更高电流密度,同时还能够经过调整占空比和峰值电压,来提升膜生长速度,改善膜生成质量,取得性能优良氧化膜。
1.1.2复合阳极氧化 复合阳极氧化法是一个新型阳极氧化技术。日本吉村长藏等[4]往铝阳极氧化液中添加部分难溶粉体,发觉氧化膜厚度,硬度都有很大改变。曾凌三、 梁东[5]也做了类似试验,结果发觉这些难溶粉体表面带电状态和膜层表面之间发生电化学反应,粉体沉积在膜层中,同时也有一部分粉体在机械搅拌作用下进入膜孔内,氧化膜性能改变取决于粉体性质和悬浮浓度。
1.2 化学氧化法
在一定温度下, 经过化学反应在率零件表面生成一层薄氧化膜, 称为绿化学氧化法。广义化学氧化法包含重铬酸盐等氧化剂参与化学氧化膜。这种方法不需要经过电流, 工艺上电化学氧化法要简单, 成本低。所生成氧化膜很薄, 通常膜厚度约0.5~4um, 膜层质软, 耐磨性低, 故不能单独使用。膜层有很好物理吸附能力, 是涂层良好底层, 经化学氧化后在涂装所得防护层, 课大大提升铝零件防护能力。
1.3 稀土转化膜
显示了良好应用前把铝置于铬酸盐、 锰酸盐、 钼酸盐等溶液中数分钟,表面即可形成与铝基体表面结合良好转化膜。其中应用最广泛是铬酸盐转化膜,但六价铬有剧毒和致癌作用,在使用上受到严格限制,稀土转化膜正是适应该前环境保护要求而受到研究人员关注。
Hinton等[6]首先把7075铝合金置于含有少许CeCl3NaCl溶液中一段时间,发觉铝合金表面形成含有高耐蚀性转化膜。这种方法得到转化膜需要一周时间。在以后,中国外研究集中在降低成膜时间和改善膜层质量上,而且已取得很大进展。总而言之,稀土转化膜在机理、 工艺方面还不成熟,有待于深入研究,但它以其优良抗蚀性和工艺上无毒无污染特点,显示了良好应用前景。中国稀土资源丰富,更应有广泛应用价值。
稀土转化膜在机理、 工艺方面还不成熟, 有待于深入研究, 但它以其优良抗蚀性和工艺上无毒无污染特点, 景。中国稀土资源丰富, 更应有广泛应用价值。
1.4 微弧氧化法
微弧氧化又称等离子体氧化,是在阳极氧化基础上,在金属基表面原位生长陶瓷层一个表面处理技术。当阳极氧化电压达成某一临界时,材料表面氧化层被击穿,产生弧光放电,并产生瞬间高温(>℃),氧化膜在高温高压作用下熔融,等离子弧消失后,熔融物激冷而形成非金属Al2O3陶瓷层[10]。该陶瓷层厚达200μm以上,最高硬度达3000HV以上,而且耐磨、 耐腐蚀、 耐高温冲击等性能均优于阳极氧化膜。微弧氧化机理现在还不完全清楚,但它含有工艺简单,不引入毒物,氧化膜性能优良而受到大家重视。
1.5 有机硅烷化处理
有机硅烷化处理是多年来发展起来一个新型金属表面防护性工艺, 因为无污染、 处理件耐性蚀好, 受到大家青睐。该工艺是基于一个可水解生成硅醇硅烷试剂。有机硅烷课与基底铝合金形成极强Me-O-Si键, 而硅烷有机部分又可与表面聚合物涂层（底漆）形成磷化底漆处理化学键结合, 硅氧烷键形成可大大提升表面聚合物涂层与基体铝合金结协力, 同时也使铝合金抗腐蚀性得以提升。
硅烷化处理传统上采取浸涂工艺, 把铝合金浸入在这种稀得硅烷溶液中一定时间, 随即在一定温度下固化, 即可在铝合金表面形成几百米厚涂层(固化比传统转变涂层薄多), 该涂层能够有效预防铝合金发生多种形式腐蚀。胡吉明等采取电化学技术在LY12铝合金表面沉积制备了十二烷基三甲氧基硅烷（DTMS）膜。反射吸收光谱表明, DTMS硅烷试剂与铝合金基体表面发生了化学键合作用, 生成SiOAl键实现成膜。电化学阻抗谱（EIS）测试结果表明, 与开路电位下相比, 采取阴极电位沉积方法得到硅烷膜耐腐蚀性能有显著提升。
1.6 电泳涂漆处理
电泳涂漆起源于日本, 实际也是在阳极氧化基础上一步深加工处理。电泳涂层兼有阳极氧化膜和聚合物涂层双层有点。电泳涂漆是把共建和对应电极放入水溶性树脂制成电泳漆液中, 接上直流电源后, 在电场作用下, 涂料在工件上沉积形成均匀膜一个工艺, 含有漆膜均匀、 附着力强、 涂料利用率高、 施工速度快等有点。而且对于异形型材也有很好涂装效果。
1.7 磷化底漆处理
在铝合金表面涂磷化底漆是在铝磷化同时形成漆膜, 磷化底漆本身不能单独起到底漆作用, 是一个表面预处理方法, 关键用在不能进行阳极氧化或化学氧化部件。
磷化底漆基料, 组分一以聚乙烯醇缩丁醛树脂为主, 加有铬酸盐等防锈颜料和助剂, 组分二为磷酸, 使用前将两组分按要求百分比混合均匀, 喷漆在铝板表面时一部分磷酸与金属铝结合, 使金属表面和涂层系统中底漆含有良好结合能力。不过, 磷化底漆对施工条件要求高, 稍不小心, 就会造成漆膜变脆, 造成大规模掉漆严重后果。
2 激光处理
利用高能量激光器在铝合金表面进行熔覆处理是近几年发展起来一个表面改性技术,经过激光处理,能够提升其耐磨性、 耐蚀性和耐热性。激光处理通常有两种方法:一个是对预涂覆涂层进行激光重熔处理。另一个进行激光熔覆方法是直接送粉熔覆。因为铝对红外激光高反射率直接送粉进行激光熔覆是极为困难,李言祥、 沈文指出了激光熔覆陶瓷层机理和工艺条件[14]:在激光辐照铝表面同时,送粉位置合适情况下,在基体上方产生等离子弧,该弧与激光束(功率密度≥5×104kW/cm2)共同作用,可成功实现陶瓷熔覆。
3 离子注入
离子注入法是70年代发展起来一个表面改性技术,现在已成功地在钢、 钛合金等基体表面注入Ti、 C、 N等元素,提升了基体材料耐磨性和耐蚀性,并已投入到生产中。近几年,研究人员也进行了在铝材表面进行离子注入研究,取得了一定进展。司云森、 孙勇等[15]研究了在H2SO4溶液中,表面注入Pb铝电极电化学性能。该试验表明:在H2SO4溶液中,离子注入铅铝电极含有良好耐腐蚀性能,有望把铝或铝合金应用范围推广到湿法冶金和电镀等行业。
4　热喷涂
针对铝合金硬度低、 耐磨性差,受损时失效快等缺点,热喷涂高抗磨性恰好能够填补它这些缺点.热喷涂层中所含氧化物、 氮化物等第二相粒子均可增加涂层硬度,提升耐磨性,而涂层孔隙尚能保持一层润滑膜,还能容纳因磨损所产生碎屑,从而使接触面积保持清洁,起到减磨作用[21]。
清华大学李言祥[22]等研究了铝基体首先等离子喷涂复合陶瓷涂层,然后激光二次熔覆氧化铝粉末。大连理工大学徐荣正等[23]采取电弧喷涂工艺在6061铝合金基体表面喷涂高纯铝涂层,结果表明,电弧喷涂技术能够在6061铝合金基体表面形成均匀、 致密、 孔隙率低、 结合良好高纯铝涂层;高纯铝涂层耐腐蚀性很好,对铝合金基体起到了保护作用,涂层经过封孔工艺处理后保护作用愈加好。
5　 离子束处理
5.1　等离子体浸没离子注入
针对铝合金早期离子注入技术关键用于氮离子注入,注入层较浅,改性效果有限缺点[13]。近几年研究中大家发觉在离子注入氮同时注入Ti、 Ta、 Zr等强氮化合物形成元素,能够改善注入效果,金属等离子体基离子注入对此提供了有效方法.哈尔滨工业大学廖家轩等[25]在离子注入氮基础上进行了等离子体基离子复合注入氮和钛尝试,发觉铝合金表面硬度、 摩擦系数及耐磨性都显著改善,粘着磨损程度显著减轻.另外,哈尔滨工业大学汤宝寅[14]等人经过在不一样温度下对6061铝合金分别进行了氮、 氧等离子体浸没离子注入处理,氮与氢混合气体等离子体浸没离子注入处理,以及在氮气氛中钛或铝等离子体浸没离子注入与沉积处理,经过对得到表面改性层分析研究发觉经氧离子注入处理后,抗磨性能显著改善;经高温氧离子注入试样耐磨寿命最长;经氮、 氢离子混合注入处理后铝合金表面性能更优,摩擦系数可降到至0.1,耐磨寿命提升了约5倍。
5.2　 磁控溅射
磁控溅射是一个高速率低基片温升成膜新技术,沉积颗粒通常在纳米级,应用非常广泛。王齐伟等[27]经过直流平面磁控溅射系统,在6063铝合金上镀覆一层(TixAly)N硬质薄膜,来增强了铝合金表面强度。薄膜成份关键以TiN、 Ti3AlN形式存在,结合良好;显微硬度显著提升,膜层表面均匀且致密性良好。李华平[28]等利用磁控溅射系统在6061铝材上制备了3μmAlN薄膜,达成了纳米级。XRD、 椭偏测试及耐压测试结果表明,AlN膜为含有良好取向多晶薄膜,击穿电压高达100 V/μm.利用自动划痕仪对AlN膜进行剥离试验,临界载荷为6 N左右。
5.3　 双层辉光离子渗金属
双层辉光离子渗金属技术是太原理工大学徐重教授[29]发明一项含有中国自主知识产权创新性技术。该技术已经在美、 英、 澳、 日等国取得了专利权,其原理是在真空室内设置阴极和源极,利用辉光放电现象溅射出源极上金属粒子,沉积到阴极(工件)上,利用轰击和热扩散在工件表面形成渗镀合金层,达成改善材料表面性能目。利用该技术在铝合金表面渗镀钛等合金元素达成了改善铝合金表面性能目。
6　 复合技术
现在使用更多是一个所谓复合技术,就是集合多种技术优点,避免其缺点,从而得到愈加理想表面处理结果。如加弧辉光技术、 离子束联合溅射技术等,离子束联合溅射技术中将磁控溅射与离子注入,离子溅射结合有速度快、 温度低、 结协力好等优点.还有将激光与溅射结合等。
7 结语
伴随铝合金应用日益广泛,对铝合金表面处理要求也会越来越高,对铝合金表面处理机理、 制备工艺、 基体与表面层界面行为研究会愈加深入,性能更优良表面保护膜在生产中得到深入应用。

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