铸铝合金常用的表面处理工艺

来源:金属热处理工艺学作者:张覃轶

铸铝合金常用的表面处理工艺;欧阳贵,邹瑞海,邹莎;(武汉材料保护研究所,湖北武汉430030);l前言;铸造铝合金是目前广泛应用的工程材料之一,可分为铝;~直以来,铸铝工件未经任何表面处理,直接应用到社;2铸铝目前采用的几种表面处理工艺;2.1化学氧化处理;化学氧化处理是~种较为简单的保护工艺,因其有多孔;A.工艺流程:;a.喷丸前验收一一喷丸一一除垢处理一

铸铝合金常用的表面处理工艺

欧阳贵,邹瑞海,邹莎

(武汉材料保护研究所,湖北武汉430030)

l前言

铸造铝合金是目前广泛应用的工程材料之一,可分为铝.硅,铝铜,铝镁,铝锌等,其中以铝硅系铸造铝合金应用最广,如ZL101、ZL105、ZL108。产量大用途广,如德国奔驰汽车公司麦庭根(Mellingen)铸铝厂,年产铸铝件22000t’其中年产汽缸盖12000r,进气管3000t,变速箱壳体等压铸件7000t。镪.硅系酶铸镪舍金存良好的铸造性,霹攘入Cu、Mg等元素强化,进~步逶避热处理提赢机械性熊,,铸锃合金大量应用于汽车,摩托车,航天航空、船舶,舰艇等工业,常用作内燃机活塞、汽缸体、汽缸头,特别是作为框架、支架等结构件,以及外装零件如机匣壳体等。

~直以来,铸铝工件未经任何表面处理,直接应用到社会各个角落,但是,随着社会的发展,将疑是出舀产量越来越大,入们对铸铝表面性能要求越来越高,如其耐蚀性,尤其怒外观装饰;如栗铸锅工件未经表面处理或者只是喷砂(喷丸),在潮滋的空气里,其表磷会很快变黑甚至出现是色斑点,同时,未经处理的铸铝件表荫本身也存在颜色不一致、发黑、锈蚀等缺陷,直接影响产鼹外观质量,因此,铸铝零件加工成型后,近几年来一般要求对其表面进行表面处理。由于铸锅合金零件表面状况各处不同,有的部位是非机加表面,铸造时表面产生了氧化皮膜,污迹油灰依然存在。而有的部位则是经过了机加工,表藤状况良好。在对其表面除油时,易腐蚀,缀难保持表舔均匀一致。又由于铸造镪合金,特别是硅豢l镉含量较高的铸镪含金,虽然硅和铜的加入大大提高了铝合金的强度,但硅和铜的加入又使其表面处理增加了很多的困难。有些型号的铸铝合金是不能直接进行电镀或普通阳极氧化等处理。比如对于含Cu2%"-3.5%,Si7%~13%的铸铝含金。要保证化学氧化,电镀或阳极氧化等顺利进行,往往要进行特殊的前处理。

2铸铝目前采用的几种表面处理工艺

2.1化学氧化处理

化学氧化处理是~种较为简单的保护工艺,因其有多孔性,故能增加底层与涂料的结合力及提高涂层的防腐性能或提供一种要求不高的防护膜,如铸铝件室内的防护等。

A.工艺流程:

a.喷丸前验收一一喷丸一一除垢处理一一永洗一一化学氧化处理一一水洗一一热水洗一一烘干一一检验入库

b.零件一化学除油一冷水洗一碱蚀一水洗一除垢处理一冷水洗一化学氧化处理一~水洗~一热水洗一一烘干一一检验入库

c.零件一仡学除油一冷水洗一碱镪一水洗一抛光一一水洗一一除垢处理一冷水洗一化学氧化处理一一水洗一一热水洗一一烘干一一检验入库

d.零件一酸性化学除油一冷水洗一一除垢处理一冷水洗一化学氧化处理~一水洗一一热水洗一一烘干一一涂装

B.各工序其体操作:。

(1)喷丸:

唆丸处理对铸键合金零件表蘑起净化溅他释强化作用,为铬酸盐化学氧化成膜等做好嚣处理准备。采用玻璃球对铸铝零件表面进行喷丸强化处理,熊够较有效地去除零件表面的污迹、氧化皮起到净化、活化表面的作用。又由于玻璃球呈球状,喷射到零件表面,可形成许多微小半圆形凹面且具有金属光泽。喷丸还可以对零件表面产生压应力,有效地提高其表面疲劳寿命,降低了零件对应力腐蚀的敏感性,增强了表面强度。喷丸强纯处理使用的玻璃球直径选150"--250mm,压缩空气必须经油水分离器过滤净化。送缩空气的压力通常控制在5起触戮2左右为宜。喷射角确定65。±5。较好。

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铸铝合金常用的表面处理工艺

喷嘴与工件之间的距离控制在250"--350mm范围。喷丸处理前应对工件外观检查后轻轻将其摆放在喷丸室内,喷丸时应均匀,顺序1喷射,避免局部区域长时问喷射,造成表面过热或产生变形等缺陷。玻璃球可多次循环使用,但多次喷射后应筛选去除粉末,以保证喷射质量。

另外:还有几种常用的喷丸材料:

抛铝丸:抛丸机采用抛丸直径为l---'2mm的铝丸。抛铸钢丸:一般直径为0.4一O.75mm的铸钢丸。

抛不锈钢丸:一般直径为0.4—0.75mm的不锈钢丸。后两种是工厂中使用较多的方法及材料。

(2)化学除油

铸铝件在前处理中除油是较关键的一步,假如油污去不净将会影响下一步工序的进行。铝属两性金属,因此,用碱性清洗剂其碱性必须较低,同时具有缓蚀性,这样在清洗过程中可防止金属受化学侵蚀。理想的清洗剂具有的特点1)所有盐类应容易溶解在水中,并具有一定的稳定性和良好的冲洗性能。2)7作液的PH值应在9~ll之间并加缓冲剂以保持清洗剂的稳定性,减少对基体金属的侵蚀。3)选用的乳化剂应有良好的乳化、渗透、润湿、扩散作用,从而达到良好的去油污效果。对污垢小颗粒有反絮凝作用使其分散在溶液中。5)清洗剂应具有软化水的作用,防止在金属表面有盐类沉

淀物形成。

一般配方及工艺条件:

NaOHNa2C03Na3P04

2"--4g/L

30~40

g/t,

40"-'50g/L5"--10g/t,

oP乳化弃U温度时问(3)碱蚀

50~70℃l~8min

碱蚀的目的(1)除去残留的自然氧化膜及脱脂工序腐蚀铝基体的残留物;(2)除去渗入铝基体表面层的油脂等污物;(3)除去型材表面的变质合金层;(4)消除挤压、模具痕、划伤及其它表面缺陷,并且调整和整平基体表面使其均匀一致;(5)通过适度腐蚀以获得哑光、细沙面、麻面等特殊效果,以提高产品

的装饰性。

碱蚀处理是制备转化膜的关键步骤,经过碱蚀处理可以去除铝材表面的油污和自然氧化膜,活化金属的表面;碱对铝有很强的腐蚀性,碱腐蚀可以不同程度地减少和消除挤压模痕,获得平滑光洁的表面.随着碱蚀液浓度的提高,基体表面腐蚀程度加深,浓度过高,基体表面易产生过腐蚀,当碱蚀液的浓度增加到NaOH为60g/L时,基体表面形成许多针孔,这就说明碱蚀程度加深。另外,碱蚀时问及温度对基材表面也有影响.适当的延长碱蚀时问及提高温度,可提高基体表面的粗糙度,温度太高时,反应速度太快,易造成基体表面腐蚀不均匀;碱蚀时间太长,易造成过腐蚀.因此,适当的处理温度及时问,对基材表面的均匀性及外观是至关重要.

碱蚀工艺条件为:

NaOHEDTA

409/L1g/L

温度

时间

28℃

3min.

or碱蚀工艺条件及

NaOH(游离)

配方:

40~60

g/L

30g/L<1309/L

添加剂

Al

3+

温度

时间

60±5℃l--'8mi

(4)抛光

三酸抛光,即把浓磷酸(85%)、浓硫酸(98%)、浓硝酸(68%)按照一定比例配置成抛光液,在特定温度下将需要抛光的制品在抛光液里浸蚀一定时间,获得光亮平整的表面。采用三酸化学抛光的

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铝及铝合金制品具有耐蚀保光性能好、不易混入杂质等特点。化学抛光工艺设备简单、操作方便,抛光成本低廉,因此长期以来在工业领域得到广泛应用。三酸抛光的效果与合金的种类和合金元素的含量密切相关。一般来说,铝的纯度越高,三酸抛光质量越好,反射率也越高。所以高纯铝、工业纯铝、铝镁合金、铝镁硅建筑型材有良好的抛光效果;而含锌、铜元素较高的铝合金三酸抛光效果比较差;对于高硅铝合金来说则完全不适合三酸化学抛光。

常用的三酸化学抛光配方及工艺:

H3P04H2S04HNOs

70%20%10%100一一120I℃

温度

时间

l一一3分钟

三酸抛光工艺适用于工业纯铝、AI-Mg系合金、AI—Mg-Si系合金、AI-Mg-Zn系合金、AI?Mg-Cu系合金等,但是要求Zn<8%,Cu<5%,Si<l%。

二酸抛光是一种无黄烟化学抛光,以磷酸一硫酸为基液实现无黄烟化学抛光,在基液中添加一些特定的化合物,用以取代硝酸。配方如下:

2:lH3P04(85%):H2S04(98%)

A13+0.2一O.6mol/L

添加物温度

时问

lO一159/L

90一.110℃l一一3min

(5)除灰(垢)处理

常用铸铝合金的牌号有:ZLl04、ZLl05、ZLl08等。但因铝为两性金属,在多种介质中都不稳定,

抗蚀性能较差;同时,铝合金的表面硬度低、不耐磨。从高硅铸铝材料成分组成可知,该材料含有较高的硅和铜,锰等,在化学除油液,碱蚀,抛光等工序中是不溶解的,并残存在工件的表面,形成一层浅灰色至黑色疏松膜,这层疏松膜,必须用含氟的酸溶液进行浸蚀抛光或除垢,使合金表面露出光亮的基体。

国内一般用以下配方及工艺条件:HNOs(65%)HF(48%)

750ml/L250ml/L

温度

时间

体的伤害。

(6)酸性化学除油

室温

3—5

新型除垢剂是采用磷酸加硫酸体系,加入少许添加剂,减少硝酸和氢氟酸对环境的污染和对人

硫酸:氟化物温度

时间

60—1509/L

10一一159/L

室温2--5分钟

(7)化学氧化处理

经前处理的铸铝零件应及时进入化学氧化溶液中进行化学氧化。老工艺一般使用铬酸盐溶液氧化法.在室温下进行。处理时间因氧化溶液的不同而有差别。化学氧化通常可以选下述工艺配方及参数进行。

1)Na2Cr207

CrOsNaFpH

3.O~3.5g/L

3~5

g/Lg/L

0.5~O.8

室温

3.5±012

氧化温度

时间2)K2Cr207HF(40%)

3~5m

in

0.8~1.09/L0.25~O.50g/L

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非离子表面活性剂适量

pH

氧化温度

时问

2.7~3.520"40℃

30一-90

3)较为特殊的铸铝本色氧化工艺A.工艺流程

喷丸——除油——水洗一热水烫干——化学抛光——水洗——除垢——水洗一本色氧化一—水洗——丐热水烫干一后处理

Or喷丸一一本色氧化——水洗——热水烫干一后处理a.除油槽:

方法同上

b.抛光槽:

方法同上

c.除垢槽:

方法同上

d.氧化槽:

氧化剂:200ml/L

50----60℃温度:

时间:

5一一8min

为了减少污染,国内正在开发三价铬氧化工艺,并推广应用。2.2阳极氧化处理

高硅铸铝材料因硅、铜、锰含量高,表面处理较为困难,为了提高材料的使用寿命,必须对高硅铸

铝表面进行强化处理,目前国内最常见的是采用硬质阳极氧化工艺,表面硬质氧化膜的硬度为HV300-、.400.如果用普通的硫酸槽氧化工艺,有可能造成铸铝合金零件基体与电解液激烈反应,导致基体腐蚀,外表深灰色。挂灰严重。

工艺流程:

碱性脱脂一水洗一碱蚀一水洗一除垢处理一水洗一阳极氧化一水洗一热水洗一成品Or:酸性脱脂一水洗一除垢一水洗一阳极氧化一水洗一热水洗一成品a.碱性脱脂:

方法同上

b.碱蚀处理:

方法同上

c.除垢处理:

方法同上

d.酸性脱脂:

方法同上

阳极氧化工艺:硫酸(H2S04)添加剂

铝离子(AL3+)温度(℃)

电压(V)

160---200

g/L

10"--15g/L

<209/L一5一+512—221--3.5A/dm30--60min

电流密度

时问

阴极材料:

搅拌:压缩空气搅拌

铅或铝锡合金板

2:l

阴极面积比阳极而积:

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2.3微弧氧化工艺:

(1)溶液成分

微弧氧化的溶液成分相对比较简单,目前以碱性槽液为主(<l%NaOH),其溶液常加入硫酸钠,铝酸钠,磷酸钠等,为了得到不同的颜色可以加入不同的金属盐。

微弧氧化电解液的成分

成分

氢氧化钾(钠)硅酸钠铝酸钠

六偏磷酸钠磷酸三钠硼砂

2.5

1.湖.5

7-ll

2.5

●-●●--

10

33

●--

●——

●一

●—_

351010.5

257

单位:g/t,

温度20-25℃,电流密度5A/dm2,终电压220---600V

(2)电源

微弧氧化电源的特点是高电压与大电流,输出波形有直流,交流和脉冲三大类,电流结构有电容器式,变压器式,可控硅式等。

(3)工艺参数

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