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    鋁及鋁合金的涂裝前處理(一)

    發布時間:2015-06-25  閱讀:961

      隨著科技進步和工業的發展,鋁以其密度?。冧X的密度2.7g/cm3)、機械性能好和易于加工成型等優異性能,在航空、家電、儀表和建筑行業得到了日益廣泛的應用,如家電中,海爾生產的電冰箱、展柜,海信生產的電視機均使用了鋁制品。目前,全世界鋁消耗量的12%~15%以上用于汽車工業,有些發達國家已超過18%,并且汽車的鋁化程度有與日俱增之勢,見表[1]1。鋁材的應用比例已由1980年的4%提高到2000年的12.5%,預計在2010年可達到25%以上,將部分代替鋼鐵成為汽車制造的基礎材料。歐美等國已開發出全鋁汽車,預計在不久的將來會投放市場。

    表1轎車用鋁量(鋁化率)的變化


    國家

    單臺車用鋁量(鋁化率),Kg(%)

    1977

    1980

    1985

    1988

    1990

    1992

    1995

    美國

    45(3)

    54(3.6)

    86(5.5)


    97(8.9)



    德國

    40(3)



    90(7)




    日本




    55(5.4)


    78(6)

    130(12)

    中國


    25(2)




    50(3.4)

    110(10)


      鋁合金因其獨特的性能而被廣泛應用,但其化學性質極其活潑,不穩定,容易被腐蝕,需要很好地進行表面處理,改善和提高其表面性能,提高耐蝕性,增強涂層附著力,進而擴大其應用領域。

      傳統的鋁及鋁合金的表面處理工藝較多,也比較成熟,主要包括陽極氧化、鉻酸鹽轉化、鉻酸鹽—磷酸鹽轉化以及單寧酸鹽轉化等工藝。

      1.鋁及鋁合金的電化學氧化

      鋁及鋁合金的電化學氧化,是在電解液中,鋁件作為陽極,在外加電流的作用下形成氧化膜,因而通常稱為陽極氧化。

      陽極氧化按溶液性質及膜層性質可分為硫酸、草酸、硬質及瓷質陽極氧化,氧化膜具有很好的吸附能力,易于染成各種顏色,加強裝飾作用;與涂料的結合力強,適合于涂裝打底用。

      鋁及鋁合金的陽極氧化實質上就是水的電解[2]:

      電解液通電后在電流的作用下發生水解,在陰極放出氫氣

      2H++2e=H2                                         (1)                                                            

      帶負電荷的陰離子向陽極移動,在陽極釋放電子

      4OH---4e=2H2O+O2                           (2)

      一部分新生(原子)氧與陽極鋁反應,生成無水氧化鋁膜

      2Al+3[O]=Al2O3                             (3)

      現有的陽極氧化工藝大都采用酸性電解液。當然,采用不同種類的電解液,可以得到阻擋型氧化膜和多孔型氧化膜,如在硫酸、鉻酸、磷酸及草酸的電解液中,可以得到多孔型氧化膜;在硼酸—硼酸鈉溶液、酒石酸銨、檸檬酸、馬來酸及乙二醇的電解液中,可以得到阻擋型的氧化膜。


         2.鋁及鋁合金的化學轉化

      2.1鉻酸鹽轉化膜

      該處理方法于1950年起源于美國,包括兩種方法,即堿性鉻酸鹽膜及酸性鉻酸鹽膜。

      2.1.1堿性鉻酸鹽膜

      工藝流程如下:脫脂—水洗—水洗—堿蝕—水洗—水洗—出光—水洗—水洗—轉化—水洗—封閉

      堿性鉻酸鹽膜處理液的主要成分是2~3%碳酸鈉和0.5%重鉻酸鉀溶液。在82~87℃時,浸漬時間10~20分鐘,形成由鋁氧化物和分散的鉻酸鹽—氧化物組成的灰色多孔薄膜,其厚度約1.0~2.5μm。

      這是一種很古老的成膜工藝,一種組分與基體反應至某一極點,而另一種組分在反應的機體上形成氧化物膜。

      在5%熱的重鉻酸鉀溶液中封閉能達到最大的耐蝕性。所得的膜性能取決于處理液中碳酸鹽與鉻酸鹽的正確比值。

      隨著技術的不斷進步,此種方法因能耗大而逐步被酸性鉻酸鹽法取代。至今堿性鉻酸鹽法已很少使用。

      2.1.2酸性鉻酸鹽膜[3,4]

      采用該方法處理的鋁及鋁合金轉化膜,呈黃色至彩虹色。影響轉化膜顏色的主要是Cr6+,其在膜中的含量越高,膜的顏色越深。

      工藝流程如下:脫脂—水洗—水洗—堿蝕—水洗—水洗—出光—水洗—水洗—轉化—水洗—純水洗—封閉

      將表面潔凈的鋁及鋁合金浸入到鉻酐8—10g/L,氟化鈉0.5g/L,PH=1.5—2.0的溶液中處理60—90秒或鉻酐4g/L,氟化鈉0.5g/L,亞鐵氰化鉀0.5g/L,緩蝕劑0.5g/L的溶液中處理5—10分鐘,即可得到酸性鉻酸鹽轉化膜。

      簡要成膜機理如下:

      在含氟的鉻酸鹽溶液中,工件表面發生局部電化學反應:

      陽極:2Al—6e=2Al3+                        (4)

      陰極:6H++6e=6H                          (5)

      氟離子促進鋁表面腐蝕,加速Al3+的生成。

      在金屬溶液兩相界面上,由于PH升高促使Cr2O72-轉化成CrO42-,并在陰極上發生Cr6+被氫原子還原生成Cr(OH)3:

      6H+H2Cr2O7=2Cr(OH)3+H2O              (6)

      含有C6+及C3+的化合物:

      2Cr(OH)3+CrO42-+2H+=Cr(OH)3Cr(OH).CrO3+H2O    (7)

      鋁在成膜中的化學成分:

      3Al3++6OH-=Al2O3+H2O                      (8)

      其膜的主要成分是Al2O3.Cr(OH)3Cr(OH).CrO3。

      剛成的新鮮膜成膠態,易碰傷,老化處理后膜堅固,與基材附著良好。該膜具有憎水性,其外觀為黃色至彩虹色,當膜受到外力作用遭到破壞時,表面上由于Cr6+的滲出會使其再鈍化[5]。而以Cr6+、F-及亞鐵氰化鉀為主要成分的促進型處理液形成膜的成分為CrFe(CN)6.6Cr(OH)3H2CrO4.4Al2O3.8H2O。

      雖然鋁及鋁合金的鉻酸鹽轉化膜具有極高的耐蝕性,同時由于膜外觀美麗而直接用于裝飾,但其致命的弱點是含有有毒的六價鉻,其對人體及環境的危害已經促使人們積極開展有效替代技術的研究。鉻在美國環保局(EPA)最危險材料表中排名第17位的劇毒材料,一直被要求從工作場所中取消。動物試驗研究表明,吸入的六價鉻可導致動物腫瘤病的發生。因此EPA對使用六價鉻有嚴格的空氣排放要求和固體廢棄物處置規定。美國職業健康安全委員會(OSHA)對工人所能暴露接觸六假鉻的量作出了規定,并建議六假鉻允許暴露極限從50μg/m3減少到1μg/m3。歐盟車輛報廢指令已經對2002年7月1日后進入歐洲的每輛車作出了最多只能使用2克六價鉻的規定。另外,歐盟于2003年1月23日公布的《關于在電子電氣設備中禁止使用某些有害物質的指令》(ROHS)已經于2006年7月1日正式實施了。根據ROHS指令的要求,投放于歐盟市場的電氣和電子產品單機的六價鉻含量不得高于1000PPm。

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