鋁及鋁合金的陽(yáng)極氧化

1、 表面工程學(xué)結(jié)課報(bào)告 課程名稱： 表面工程學(xué) 結(jié)課題目： 鋁合金的陽(yáng)極氧化 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 材料科學(xué)與工程專業(yè) 年 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 日 期： 2014-2015第二學(xué)期 目 錄摘要 11引言12鋁及鋁合金的主要特征13鋁合金表面處理概論13.1鋁合金表面處理的目的13.2鋁合金表面處理的方法23.2.1表面機(jī)械處理23.2.2表面化學(xué)處理33.2.3表面電化學(xué)處理23.2.4噴涂高聚物34鋁的表面處理方法與工藝流程34.1陽(yáng)極氧化34.2鋁材的化學(xué)預(yù)處理34.2.1脫脂44.2.2化學(xué)拋光44.2.3堿浸蝕44.3陽(yáng)極氧化工藝45結(jié)語(yǔ)5參考文獻(xiàn)6鋁合金的陽(yáng)極

2、氧化摘 要:鋁是有色金屬中產(chǎn)量最多、運(yùn)用最廣的金屬材料，具有優(yōu)良的綜合性能，但是在其表面的防護(hù)性、裝飾性和功能性方面仍與國(guó)際先進(jìn)水平有較大的差距。為了提高鋁及鋁合金材料的綜合性能，延長(zhǎng)使用壽命，鋁的表面處理作為一項(xiàng)技術(shù)措施已經(jīng)成為不可缺少的環(huán)節(jié)。關(guān)鍵詞:鋁及鋁合金；表面處理；陽(yáng)極氧化1引言鋁及鋁合金是除鋼鐵以外的用量最多的第二大類金屬材料，其產(chǎn)量占有色合金的首位，地殼中的蘊(yùn)藏量也占首位。鋁及鋁合金之所以能獲得長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，除了資源豐富、制取容易、成本低廉外，更主要的是它們具有一系列可貴的優(yōu)點(diǎn)：密度小、比強(qiáng)度高；導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好；抗腐蝕性好；加工性能好，強(qiáng)韌性好。與鋼鐵材料相比，鋁的主要

3、優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕和耐腐蝕性。但是鋁材的缺點(diǎn)也是很明顯的。它的主要缺點(diǎn)是硬度低，耐磨性差，且由于鋁的電極電位很負(fù)，與其他金屬接觸時(shí)，通常作為陽(yáng)極易發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，另外鋁的線膨脹系數(shù)大而彈性模量小。為了改善鋁的性能就需要對(duì)鋁進(jìn)行表面處理，以達(dá)到擴(kuò)大鋁的應(yīng)用范圍和延長(zhǎng)使用時(shí)間的目的。2鋁及鋁合金的主要特征鋁為面心立方結(jié)構(gòu)金屬，具有良好的良好的綜合性能。密度小，比強(qiáng)度高?？梢宰鳛檩p質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航天航空、高速列車、船舶車輛等工業(yè)部門。導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好。純鋁和某些合金化程度較低的鋁合金常被用來(lái)代替昂貴的銅，來(lái)制作輸電電線、電纜或用于其他電器元件?？垢g性好?；谶@一特性，鋁及鋁合金廣泛地用于管道

4、、容器、餐具等石化工業(yè)和日常生活用品。加工性能好，強(qiáng)韌性好。鋁及鋁合金基體為面心立方結(jié)構(gòu)，具有較高的塑性，易于壓力加工成型；同時(shí)熔點(diǎn)低，熔體流動(dòng)性好，具有良好的鑄造性能。3鋁合金表面處理概論3.1鋁合金表面處理的目的表面工程是經(jīng)表面預(yù)處理后，通過(guò)表面涂覆，表面改性或多種表面技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀況，以獲得所需要表面性能的系統(tǒng)工程。鋁合金表面處理的目的主要是要解決或者提高材料的防腐性、裝飾性和功能性三方面的問(wèn)題。防腐性：鋁的腐蝕電位較負(fù)，腐蝕比較嚴(yán)重，特別是與其他金屬接觸時(shí)，極易發(fā)生電偶腐蝕現(xiàn)象。裝飾性：從美觀出發(fā)，提高材料的外觀品質(zhì)，如除去

5、表面缺陷、不規(guī)則文理或擠壓條紋、保持和提高金屬的表面光亮度、賦予鋁表面以各種顏色或各種紋飾等。功能性：賦予金屬表面的某些化學(xué)或物理特性，比如增強(qiáng)硬度，提高耐磨性，或者賦予材料電磁、光電功能等。在實(shí)際應(yīng)用中，單獨(dú)解決某一方面的情況比較少，往往需要綜合考慮三方面的要求。3.2鋁合金表面處理的方法鋁合金的表面處理方法可以分為：表面機(jī)械處理；表面化學(xué)處理；表面電化學(xué)處理；噴涂高聚物；其他物理方法處理。3.2.1表面機(jī)械處理表面機(jī)械處理通常只是作為預(yù)處理手段，鋁及鋁合金的外觀和適用性在很大程度上取決于精飾前的表面預(yù)處理。機(jī)械處理一般分為：拋光、噴砂、刷光、滾光等方法。鋁合金材料經(jīng)過(guò)表面處理后，一般可以達(dá)

6、到以下目的。提供良好的表面條件，提高表面的精飾質(zhì)量。借助于機(jī)械處理可以獲得平整、光滑的表面。提高產(chǎn)品品級(jí)。擠壓鋁型材采用機(jī)械磨光或拋光，可以消除擠壓紋等缺陷，甚至能夠獲得如鏡面般光亮的表面，極大地提高了產(chǎn)品的終極質(zhì)量，初級(jí)產(chǎn)品可以躍升為高級(jí)產(chǎn)品。減少焊接的影響。由于鋁制品焊接時(shí)易受到高溫和焊料的影響，焊接處的顯微金相組織往往發(fā)生變化，外觀和色澤不一致，機(jī)械處理可以減少焊接的影響。產(chǎn)生裝飾效果。通過(guò)一些特殊的機(jī)械處理方法如磨帶砂磨、刷光等方法，在鋁件上產(chǎn)生線條花紋等裝飾效果。獲得干凈表面。經(jīng)過(guò)機(jī)械處理后，可以獲得無(wú)油污、無(wú)銹蝕、顏色光澤均勻一致，充分暴露鋁基體的干凈表面。3.2.2表面化學(xué)處理表

7、面化學(xué)處理一般有化學(xué)預(yù)處理和化學(xué)轉(zhuǎn)化處理?；瘜W(xué)預(yù)處理可以使金屬表面獲得潔凈、無(wú)氧化膜或光亮的表面狀態(tài)，以保證和提高后續(xù)表面處理的質(zhì)量?；瘜W(xué)預(yù)處理包括脫脂、堿洗、酸洗、化學(xué)拋光等?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)化處理既可以作為噴涂層的底層也可以是一種最終表面處理手段。包括鉻化、磷鉻化、無(wú)鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化等。3.2.3表面電化學(xué)處理表面電化學(xué)處理中應(yīng)用最廣泛的是陽(yáng)極氧化膜。陽(yáng)極氧化主要有硫酸法，還有硝酸、鉻酸、硬質(zhì)、瓷質(zhì)法等。為提高表面性能及耐蝕性能，常用的著色方法有電解著色法、化學(xué)著色法、自然著色法等。經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化處理后的氧化膜，質(zhì)硬，起到隔離腐蝕介質(zhì)和防護(hù)裝飾作用。陽(yáng)極氧化膜的特點(diǎn)：高硬度。純鋁氧化膜的硬度比鋁合金的氧化膜

8、硬度高。陽(yáng)極氧化膜不僅硬度高，且有較好的耐磨性。較好的耐蝕性。由于鋁合金成分夾雜或形成金屬化合物不能被氧化或被溶解，使得氧化膜不連續(xù)或產(chǎn)生空隙，從而使氧化膜的耐蝕性大為降低。較好的吸附能力。鋁及鋁合金的陽(yáng)極氧化膜為多孔結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的吸附能力。很好的絕緣性能。鋁及鋁合金的陽(yáng)極氧化膜已經(jīng)不具備金屬的導(dǎo)電性能，成為了良好的絕緣材料。絕熱抗熱性能強(qiáng)。陽(yáng)極氧化膜的導(dǎo)熱系數(shù)大大低于純鋁。有機(jī)涂層和電鍍層附著性強(qiáng)。功能性好。利用陽(yáng)極氧化膜的多孔性，在微孔中沉積功能性微粒，可以得到各種功能性材料。3.2.4噴涂高聚物噴涂高聚物，目前工業(yè)上廣泛采用的有機(jī)聚合物是聚丙烯酸樹(shù)脂，聚酯，聚偏二氟乙烯等。4鋁的表面處

9、理方法與工藝流程4.1陽(yáng)極氧化以鋁和鋁制品為陽(yáng)極置于電解質(zhì)溶液中，利用電解質(zhì)作用使其表面形成氧化膜的過(guò)程，稱之為鋁和鋁合金制品陽(yáng)極氧化處理。陽(yáng)極氧化是鋁的一種“萬(wàn)能”的表面處理技術(shù)，也是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的，人們最熟悉的鋁合金的表面保護(hù)技術(shù)。只要談及鋁材的表面處理，人們首先想到的就是陽(yáng)極氧化。陽(yáng)極氧化按照陽(yáng)極氧化膜的結(jié)構(gòu)可以分為壁壘型和多孔型兩大類。陽(yáng)極氧化膜作為鋁材的一種保護(hù)手段，生成的是多孔型陽(yáng)極氧化膜，而不是壁壘型陽(yáng)極氧化膜。多孔型陽(yáng)極氧化膜可以進(jìn)行著色處理。按照性能和使用要求分別進(jìn)行電解著色或染色處理。為了滿足耐腐蝕性和耐候性等各種性能要求，通常必須進(jìn)行多孔型膜的封孔處理。許多無(wú)機(jī)酸

10、或有機(jī)酸溶液都可以作為陽(yáng)極氧化的槽液，硫酸陽(yáng)極氧化是最常用的陽(yáng)極氧化工藝。4.2鋁材的化學(xué)預(yù)處理陽(yáng)極氧化工藝主要包括化學(xué)預(yù)處理、陽(yáng)極氧化、電解著色、封孔或電泳涂漆等關(guān)鍵表面處理工序。鋁材陽(yáng)極氧化前進(jìn)行的所有化學(xué)處理稱為化學(xué)預(yù)處理，它是整個(gè)陽(yáng)極氧化處理工藝過(guò)程的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)預(yù)處理主要包括脫脂、化學(xué)拋光、堿浸蝕、除灰等工序以及工序之間的水洗等。如果需要光亮的陽(yáng)極氧化表面，就要先進(jìn)行化學(xué)拋光等預(yù)處理；如果需要均勻柔和的散射反射表面，就要選擇堿浸蝕等預(yù)處理。根據(jù)對(duì)鋁材品質(zhì)不同的要求，選定不同的化學(xué)預(yù)處理的工藝流程：光亮陽(yáng)極氧化表面的化學(xué)預(yù)處理工藝流程為：脫脂水洗水洗化學(xué)拋光水洗水洗除灰水洗水洗陽(yáng)極氧化。

11、亞光亮陽(yáng)極氧化表面的化學(xué)預(yù)處理工藝流程為：脫脂水洗水洗堿浸蝕水洗水洗除灰水洗水洗陽(yáng)極氧化。4.2.1脫脂鋁材進(jìn)入陽(yáng)極氧化處理生產(chǎn)線的第一道工序就是脫脂。脫脂溶液通常采用弱酸性或弱堿性的溶液并添加表面活性劑組成，用于清除鋁材表面的油脂或污染物。鋁材在生產(chǎn)過(guò)程中使用潤(rùn)滑劑、乳液或軋制油，在機(jī)械拋光過(guò)程中使用拋光膏，在半成品的儲(chǔ)存中使用防銹油等必要的油脂；在生產(chǎn)或者運(yùn)輸過(guò)程中稍有不慎還可能意外地粘附著機(jī)械設(shè)備中用的潤(rùn)滑油脂，還可能在表面累積或飄落著油煙、灰塵等污染物，嚴(yán)重時(shí)形成污垢，因此。必須進(jìn)行脫脂處理。4.2.2化學(xué)拋光化學(xué)拋光可以除去機(jī)械拋光中形成的輕微的摩擦條痕和可能出現(xiàn)的熱變形層或氧化膜層

12、，進(jìn)一步使表面平整獲得高亮度，得到高的鏡面反射效果。鋁材化學(xué)拋光后表面雖然有很高的亮度，但是不能保持，極易在空氣中自然氧化變暗，且易黏附很輕微的污染物，甚至可能留有指紋。因此，必須要跟陽(yáng)極氧化工藝配合使用。4.2.3堿浸蝕鋁材放入以氫氧化鈉為基的強(qiáng)堿性溶液進(jìn)行的浸蝕反應(yīng)稱為堿浸蝕。鋁材經(jīng)堿浸蝕后能夠徹底去除表面的氧化膜或復(fù)合氧化膜，形成均勻的活化表面；還可以使鋁材表面趨于平整均勻，除去鋁材表面輕微的粗糙痕跡。但是過(guò)度的堿浸蝕浪費(fèi)鋁資源，還可能使鋁材出現(xiàn)尺寸偏差或表面出現(xiàn)偏析條紋等內(nèi)部組織缺陷。4.3陽(yáng)極氧化工藝目前國(guó)內(nèi)外最廣泛應(yīng)用的陽(yáng)極氧化方法是硫酸直流陽(yáng)極氧化。鋁及鋁合金在硫酸溶液內(nèi)陽(yáng)極氧化

13、時(shí)，作為陽(yáng)極的鋁或鋁合金中的鋁元素被陽(yáng)極反應(yīng)生成的氧所氧化，形成氧化鋁膜。在陽(yáng)極上生成的氧不是全部都與鋁作用生成氧化膜，還有一部分以氣體形式從陽(yáng)極逸出。開(kāi)始在鋁表面形成的薄而致密的氧化膜后，一部分氧化膜跟硫酸反應(yīng)而發(fā)生溶解，于是，致密的氧化膜變的多孔，隨著電解又生成新的氧化膜。如此，不斷地靠金屬表面處生成新的氧化膜，結(jié)果生成厚而多孔的外層和薄而致密的內(nèi)層氧化膜。陽(yáng)極氧化膜的成長(zhǎng)可以歸納為：新膜是在舊膜下面的金屬表面上直接生長(zhǎng)起來(lái)的；孔隙是氧化膜的生長(zhǎng)中心，孔隙的存在對(duì)氧化膜生長(zhǎng)具有決定的意義；在一系列彼此孤立的孔隙內(nèi)，新生成的氧化膜向四面八方擴(kuò)展，彼此匯合，最后便生成了一層厚度均勻的覆蓋層。通過(guò)陽(yáng)極氧化處理不僅可以改善鋁合金的表面耐腐蝕性，還可以通過(guò)著色或染色得到多色多彩的外觀，大大提高了鋁的裝飾性。5結(jié)語(yǔ)作為一個(gè)材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，一直以為材料成分、組織結(jié)構(gòu)、性能、工藝是很絕對(duì)的。然而，材料的表面工程給我們提供了一個(gè)簡(jiǎn)便的方法。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)偏重于從結(jié)構(gòu)上，從零件的剛度、強(qiáng)度及抗疲勞性能上進(jìn)行設(shè)計(jì)，較少重視零件的表面性能設(shè)計(jì)。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為機(jī)械零件設(shè)計(jì)提供了新的思路。在新的設(shè)計(jì)理念下，我相信表面工程會(huì)越來(lái)越受到重視。而鋁作為一種優(yōu)