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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-02-20 10:01
由于鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位較負(fù),在使用中易發(fā)生腐蝕,須經(jīng)表面處理后才能使用。之前常采用的處理方法是用鉻酸鹽,但由于其含六價(jià)鉻,使用越來越受到嚴(yán)格限制。因此,環(huán)保的新型無(wú)鉻表面處理技術(shù)受到人們的關(guān)注。
1.1 鋯鈦類處理
鋯鈦處理最早用于易拉罐的表面處理,后來逐漸擴(kuò)展到汽車、電子、航空、建筑型材等行業(yè)。這種工藝的處理液主要由含鈦、鋯、鉿的金屬鹽,氟化物,硝酸鹽和有機(jī)添加劑組成,通過浸漬、噴淋的方式形成轉(zhuǎn)化膜。其優(yōu)點(diǎn)在于工藝操作簡(jiǎn)單,所獲得的膜層與有機(jī)聚合物的結(jié)合力強(qiáng)。
一個(gè)典型配方是:磷酸鹽0.04g/L,鈦0.05g/L,氟離子0.4g/L,單寧酸0.2g/L,pH 4.9。30~60℃下噴淋或浸漬5~6s即可獲得轉(zhuǎn)化膜。鈦酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜擁有許多與鉻酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化膜相同的性質(zhì),如穩(wěn)定、牢固、自愈性良好,能夠有效防止鋁合金的腐蝕等。
漢高公司從20世紀(jì)70年代起就已經(jīng)開發(fā)了無(wú)鉻轉(zhuǎn)化處理技術(shù),當(dāng)時(shí)以氟鋯酸、硝酸和硼酸為基礎(chǔ)配方;80年代又開發(fā)了磷酸鋯和磷酸鈦配方,被廣泛應(yīng)用于易拉罐表面鈍化。其無(wú)鉻鈍化產(chǎn)品Alodine(阿洛丁)5200的處理時(shí)間為5~120s,溫度20~30℃,處理液pH為3.0~3.6,所獲得的涂層由30%~40%的鋯(鈦)鹽、25%~35%的鋁的氧化物、5%~15%的鋁的氟化物和2%~30%的有機(jī)聚合物組成。其特點(diǎn)是:無(wú)重金屬,降低了污水處理的成本,減少了重金屬對(duì)環(huán)境的污染,改善了操作工人的作業(yè)環(huán)境;基于鋯鹽和鈦鹽以及聚合物等,取代了重金屬鈍化膜;室溫處理,節(jié)約能源;鈍化時(shí)間短,提高了生產(chǎn)效率;既可用于噴淋也可用于浸漬;為有機(jī)涂層提供了極好的基底。
鋯鈦體系目前在鋁罐、室內(nèi)散熱器和鋁輪轂等方面已獲得了應(yīng)用,但其耐蝕性能仍低于鉻酸鹽膜,而且經(jīng)此工藝處理后的轉(zhuǎn)化膜沒有顏色,給工業(yè)生產(chǎn)帶來了一定的困難,因而在高耐候性和高耐蝕性要求的產(chǎn)品上還很少應(yīng)用。
1.2 硅烷處理
硅烷表面處理是近年來新發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù),國(guó)外已經(jīng)有了很多專利,也被認(rèn)為是一種很有希望代替鉻酸鹽的工藝。對(duì)于鋁合金而言,硅烷可與基底鋁合金形成極強(qiáng)的Me─O─Si鍵,而硅烷的有機(jī)部分又可與表面涂層形成化學(xué)鍵結(jié)合。因此,硅烷處理可大大提高表面涂層與基體鋁合金的結(jié)合力,從而提高鋁合金的耐蝕性。
除硅烷外,目前還有使用倍半硅氧烷(SSO)在金屬表面形成致密的保護(hù)膜。SSO是一類結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為(RSiO1.5)n的有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化物,這類化合物是由有3個(gè)官能團(tuán)的有機(jī)取代烷氧硅烷水解縮合而成,它不僅可以在金屬表面形成致密的保護(hù)膜,而且可與金屬面以Si─O─M化學(xué)鍵相結(jié)合,極大地增強(qiáng)了膜的附著能力和耐蝕性能。
1.3 稀土轉(zhuǎn)化膜
稀土轉(zhuǎn)化膜是一種開發(fā)比較早的無(wú)鉻化處理工藝,在1994年的亞洲太平洋精飾會(huì)議上被眾多專家認(rèn)為是最具有希望代替鉻和有良好發(fā)展前景的轉(zhuǎn)化膜之一。它最初由Hinton等人提出,當(dāng)時(shí)采用的是最簡(jiǎn)單的浸泡法。經(jīng)過多年發(fā)展,稀土轉(zhuǎn)化膜的成膜方法除浸泡法之外,還有熔鹽浸泡法、陰極電解沉積法等。下面介紹幾種常用的稀土轉(zhuǎn)化膜工藝。
1.3.1 浸泡工藝
將鋁合金置于鈰鹽溶液中長(zhǎng)期浸泡。將鋁合金在含0.1% CeCl3的0.1mol/L NaCl溶液中浸泡168 h后,在其表面形成鈰氧化物膜。處理溶液的pH為6.5,處理溫度25℃。這是早期使用的方法,因耗時(shí)過長(zhǎng)而不適用于工業(yè)化。
1.3.2 堿性兩步成膜工藝
將鋁合金在四價(jià)和三價(jià)堿性鈰溶液中分別浸泡30min和25 min。LF6鋁合金試樣經(jīng)此工藝處理后,可承受504h以上的中性鹽霧試驗(yàn)。
1.3.3 稀土波美處理工藝
這種工藝是先將鋁合金用熱水處理,在其表面形成波美層,然后再將其浸到稀土鹽溶液中,形成稀土轉(zhuǎn)化膜。其特點(diǎn)是在成膜液中不需要使用強(qiáng)氧化劑。
1.3.4 鈰鹽酸性成膜工藝
室溫下,將LY12鋁合金置于含有10g/L CeCl3·7H2O和40mL/L H2O2的溶液(pH為3)中處理6~10min,在LY12鋁合金表面形成一種金黃色的、與表面結(jié)合良好的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。該膜對(duì)鋁合金的點(diǎn)蝕具有較好的抑制作用。
1.3.5 稀土鹽強(qiáng)氧化劑成膜工藝
此類工藝的成膜溶液通常由稀土金屬鹽、強(qiáng)氧化劑、成膜促進(jìn)劑和輔助添加劑組成,其特點(diǎn)是引入強(qiáng)氧化劑(如H2O2、KMnO4、(NH4)2S2O8等)和成膜促進(jìn)劑(包括HF、SrCl2、NH4VO3、(NH4)2ZrF6等),使成膜速率顯著提高,成膜時(shí)間縮短,處理溫度降低。有些配方中還含有鋁的有機(jī)螯合物,如葡萄糖酸及其鹽,或者庚糖酸及其鹽等。
1.3.6
雙層稀土轉(zhuǎn)化膜成膜工藝
這是指在有波美層的鋁合金上,以Ce(NO3)3處理液體系所得轉(zhuǎn)化膜為底層,以Ce(CO3)2處理液體系所得轉(zhuǎn)化膜為外層的處理工藝。底層和外層處理溶液的pH均為4,室溫操作,底層的處理時(shí)間為2h,外層的處理時(shí)間為100min。此雙層稀土轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性能明顯優(yōu)于Alodine轉(zhuǎn)化膜。
1.3.7 陰極電解稀土轉(zhuǎn)化膜工藝
在不同陰極電流密度下,將7075鋁合金作為陰極,在1.0g/L CeCl3溶液中進(jìn)行陰極極化,得到黃色的稀土轉(zhuǎn)化膜。這種處理方法大大縮短了成膜所需時(shí)間,但所得轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性和穩(wěn)定性較差。
1.3.8 Ce–Mo轉(zhuǎn)化膜工藝
Ce–Mo轉(zhuǎn)化膜是20世紀(jì)90年代由美國(guó)南加利福尼亞大學(xué)的Mansfeld首先提出來的,它結(jié)合了高溫浸泡和電化學(xué)方法。此種工藝獲得的氧化膜雖然耐蝕性較好,但處理溫度過高,步驟繁瑣,且需要將溶液維持在沸騰狀態(tài),因而難以用于實(shí)際生產(chǎn)。李國(guó)強(qiáng)等提出了改進(jìn)的Ce–Mo工藝,即將鋁合金置于由2.5 g/L NaKC4H4O6·4H2O、7.5g/L Na2CO3、2.5g/L (NH4)2Ce(NO3)6和5.0g/L Na2MoO4組成的溶液(pH為9~10)中,95~100℃下處理20min。經(jīng)過此工藝處理的LF6鋁合金,其耐蝕性能超過了Alodine 1200S轉(zhuǎn)化膜。
1.4高錳酸鹽轉(zhuǎn)化膜
高錳酸鹽作為強(qiáng)氧化劑,能加速鋁及鋁合金的腐蝕,但經(jīng)過適當(dāng)處理則可形成好的轉(zhuǎn)化膜。在高錳酸鉀溶液中生成了黑色無(wú)鉻轉(zhuǎn)化膜,其處理工藝為:KMnO4 6g/L,ZnSO4·7H2O 1.5g/L,Co(NO3)2·6H2O 20g/L,AlCl3 1g/L,H2SO4 1mL/L,十二烷基硫酸鈉0.1g/L;一次黑化溫度55℃,時(shí)間20 min;二次黑化溫度40℃,時(shí)間8 min。此工藝可用于鑄鋁ADC12的表面處理,膜層主要由三氧化二鋁和錳的各種氧化物組成。另外,鈷的加入提高了膜的黑度。此膜可以提高鋁合金的耐蝕性能。
1.5 鈷鹽轉(zhuǎn)化膜
通過正交設(shè)計(jì)確定了一種鈷鹽轉(zhuǎn)化膜工藝,其配方為:乙酸鈷10~17g/L,乙酸鈉40~80g/L,氟化鈣3~5g/L,稀土添加劑0.25~1.00g/L,潤(rùn)濕劑0.5~2.0g/L,處理溫度60~65℃,時(shí)間20~30min。該工藝所生成的膜層具有良好的外觀和耐蝕性能,但與油漆的結(jié)合力中等。其成膜過程先后經(jīng)歷了潤(rùn)濕劑吸附、鋁的非穩(wěn)態(tài)溶解和膜的穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)3個(gè)階段。
1.6 鋰鹽轉(zhuǎn)化膜
將LF3M防銹鋁、L3M工業(yè)純鋁、高純鋁等浸入含7.4g/L Li2CO3,4.9g/L LiOH的溶液中(鋰離子可促進(jìn)鋁在堿性碳酸鹽溶液中的鈍化),室溫下處理20min,可獲得鋰鹽轉(zhuǎn)化膜。轉(zhuǎn)化膜是由Al3+、Li+、OH−和CO32-等離子組成的復(fù)合鹽。該膜層在致密性和耐蝕性方面明顯優(yōu)于自然氧化膜,與鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜相當(dāng),兼具陰、陽(yáng)極阻滯作用。
1.7有機(jī)酸轉(zhuǎn)化膜
有機(jī)轉(zhuǎn)化膜是在金屬基體表面形成的難溶性配合物薄膜,具有耐腐蝕、抗氧化的作用,目前主要是指含植酸和單寧酸的轉(zhuǎn)化膜。單寧酸是一種多元苯酚的復(fù)雜化合物,水解后呈酸性,與氟鈦化合物等配合使用,可形成無(wú)毒的單寧酸轉(zhuǎn)化膜,通常用于飲食行業(yè)鋁材的表面處理。
植酸是一種少見的金屬多齒螯合劑,在金屬表面與金屬發(fā)生配位反應(yīng)時(shí),能形成致密、堅(jiān)固的膜層,且能有效地阻止氧氣等進(jìn)入金屬表面。另外,經(jīng)植酸處理后的金屬表面由于具有與有機(jī)涂料相近的化學(xué)性質(zhì),因此這類膜層與大多數(shù)涂料都有良好的匹配功能,附著力良好,可用作涂裝的底層。歐洲專利EP 0078866提供了一種植酸轉(zhuǎn)化膜的配方:H3PO4 2g/L,3–甲基–5–羥基吡唑1.2g/L,植酸1g/L,H2ZrF6 0.7g/L,Na2SO4 0.5g/L,NaF 0.5g/L。鹽霧和耐濕熱試驗(yàn)證明,該配方處理后的鋁及鋁合金有極強(qiáng)的耐蝕性能。

來源:AnyTesting