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1、材料科学课程论文铝合金表面处理国内外研究应用现状The Domestic and Foreign Current Situation of the Research and Application on Surface Treatment Technology of Aluminum Alloys学院名称： 材料科学与工程学院 专业班级： 复合材料1101班 学 号： 3110706012 学生姓名： 陈 青 华 指导教师姓名： 张 松 利 2014年6月铝合金表面处理国内外研究应用现状复合1101班 陈青华 3110706012摘要：本文全面介绍了国内外铝合金在建筑、汽车、航空航天等行业的应
2、用及研究进展。主要阐述了铝合金表面处理方法的目的、表面处理的机理及分类、影响表面处理质量的工艺参数、现代表面分析技术等。并对近年来国内外应用广泛、技术成熟的一些表面处理技术的优缺点进行了分析，并展望了该领域研究的发展趋势。关键词：铝合金、表面处理、应用、发展趋势The Domestic and Foreign Current Situation of the Research and Application on Surface Treatment Technology of Aluminum AlloysComposite Material Science and Engineering C
3、hen Qinghua 3110706012Abstract: Application of aluminum alloy is briefly described in construction industry, auto mobile industry,and aviation industry totally.The development of adhesive bonding at domestic and foreign countries is introduced.Then,the purpose,mechanics,classification of surface tre
4、atment of aluminum alloy used in bonding structure is reviewed.At the same time,the parameters of the surface treatment which affect the surface quality and the methods of modern surface analysis are introduced too.Meanwhile,the popular and most sophisticated technology in aviation industry,the char
5、acteristic and applications of phosphoric acid anodization are also discussed.At last,the trend in this filed is presented.Key words: Aluminum alloy、Surface treatment、Application、The trend 目录1 引言12 铝合金阳极氧化22.1 前处理22.1.1 机械处理22.1.2 化学清洗22.1.3 碱浸蚀32.1.4 化学抛光32.1.5 电化学抛光42.2 阳极氧化52.2.1 硫酸阳极氧化52.2.2 草酸和
6、铬酸阳极氧化52.2.3 硬质阳极氧化62.2.4 阳极氧化膜的厚度控制62.3 铝阳极氧化膜的着色和染色72.3.1 自然发色72.3.2 电解着色72.4 阳极氧化膜的封闭82.4.1 热水封闭82.4.2 低温封闭82.4.3 中温封闭82.4.4 其它封闭83 铝合金化学氧化93. 1 磷化工艺(Alodine 法)93.2 钝化工艺94 铝合金的电镀和化学镀94.1 铝合金的电镀工艺94.2 铝合金的化学镀工艺105 铝合金的微弧氧化和激光熔覆技术105.1 铝合金的微弧氧化105.2 铝合金的激光熔覆技术116 结语117 参考文献12 铝合金表面处理国内外研究应用现状 1 引言铝
7、在地球上存在的比率仅次于氧、硅,是占第3位的元素,虽然比铁多,但作为金属产量,却比铁少。这是由于铝和氧的结合能大,从原料矿石铝钒土中精炼出铝要消耗大量的电能。但是,由于铝的熔点远比铁低,仅660 ,具有有利于从废料再生、进行再循环利用的优点。铝的比重小于铁和铜,是适合于轻型零件的最佳材料。通过添加铜、镁、硅等元素进行合金化可提高强度。但是,由于其质地比铁等金属软,容易损伤,在酸、碱等药物和腐蚀环境中容易被腐蚀。铝在大气中会氧化而生成薄的自然氧化膜,具有一定程度的耐蚀性。可以采用阳极氧化表面处理的方法来强制性地增厚这种氧化膜,使其具有充分的耐蚀性。铝合金具有密度小、比强度高、耐蚀性和成型性好、成
8、本低等一系列优点，在航空、航天、船舶、房屋建筑、桥梁、电力、汽车、核工业及兵器工业都有着广泛的应用。随着科技的进步和发展,一般的铝合金材料的表面性能难以满足各方面的技术要求。近年来,铝合金表面陶瓷化技术倍受人们关注,即以铝合金材料为基体,采用有效手段在其表面制备陶瓷膜层,使其与陶瓷材料互相复合,取长补短,制备出既有金属强度和韧性,又有陶瓷耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点的复合材料,因而表面陶瓷化技术的研究日益广泛。常用的铝合金表面改性技术有溶胶- 凝胶、稀土转化膜、激光熔覆、阳极氧化、等离子微弧氧化等,有关这些方法的研究均取得了较大成就。等离子微弧氧化是一种新型表面陶瓷化技术,近年来其相关文章报道
9、较多,已成为铝合金表面改性技术研究的热点,具有广阔的发展前景。尽管铝合金材料具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等优点，但在实际应用过程中，铝合金就呈现出表面硬度较低、耐磨性及耐蚀性差等诸多问题，这在很大程度上限制了铝合金的应用范围。铝合金成分和热处理对铝合金性能的提高固然很大，但在许多场合还要求铝合金表面具有耐磨、耐腐蚀等特殊性能，而且大部分铝合金材料的失效大都是从表面开始的，因而提高材料的表面性能显得尤为重要。铝合金表面强化技术是目前铝合金材料中研究最为活跃的领域，目前铝合金常用的表面处理方法可分为镀层技术，转化膜处理技术、高能束表面处理技术等，同时探索新的铝合金表面处理技术一直是科
10、研工作者努力的方向。2 铝合金阳极氧化将铝及其合金置于适当的电解液中作为阳极进行通电处理的过程称为阳极氧化。经过阳极氧化,铝表面能生成厚度为几微米至几百微米的氧化膜。此氧化膜的表面为多孔蜂窝状,较之铝合金的天然氧化膜,其耐蚀性、耐磨性均显著提高。采用不同的电解液和工艺条件,就能得到不同性质的阳极氧化膜1,2。阳极氧化有铬酸阳极氧化、草酸电解液阳极氧化、硫酸阳极氧化。硫酸阳极氧化与草酸和铬酸阳极氧化相比,工作电压更低,电解液更价廉,操作更简单,氧化膜装饰性更强,所以这种工艺很快得以普及。目前95 %以上的阳极氧化是在硫酸中进行的。阳极氧化的基本工艺过程如下。2.1 前处理2.1.1 机械处理机械
11、处理一般可分为抛光(包括磨光、抛光、精抛或者镜面抛光) 、喷砂(丸) 、刷光、滚光等。2.1.2 化学清洗化学清洗剂有溶剂型化学清洗剂、碱性化学清洗剂和酸性化学清洗剂。从上世纪80 年代开始,酸性脱脂槽液逐步普及,槽液为H2SO4 ,或H3PO4,加HF、Fe、H2O2 和非离子表面活性剂,室温下操作,时间为35min。这种工艺效率高,不污染后续槽,是较好的脱脂工艺,其应用日益广泛。应用最广的化学镀是镍磷合金. 采用次亚磷酸盐作还原剂将水溶液中的镍离子催化还原为金属镍, 并沉积到零件上. 化学镀镍赋予了铝合金良好的表面性能. 它不仅使其抗蚀性、耐磨性、可焊性和电接触性能得到提高, 镀层与铝基体
12、间结合力好, 镀层外观漂亮; 而且通过镀覆不同的镍基合金, 可以赋予铝及铝合金各种新的性能, 如磁性能、润滑性能等 . 燕山大学的王艳芝3以铝合金为基体, 在碱性镀浴中得到了低磷含量的Ni2 Fe2P2 B 镀层, 镀层主要为非晶态结构。2.1.3 碱浸蚀铝及其合金阳极氧化之前,需要去除致密但不均匀的自然氧化膜。对高硅铝合金,采用HNO3、HF混合溶液,在室温下操作,时间为35 min ,工作时会产生有毒气体,一般不用于其它铝合金。其它铝合金采用以NaOH 溶液为主的碱性槽液,NaOH 的浓度为3070 g/ L ,操作温度为4080 ,时间为310 min。碱腐蚀工艺维护简单,成本低,腐蚀效
13、果好,易于除去铝合金表面的加工条纹,是阳极氧化重要的配套工艺4。目前单独使用NaOH 溶液作碱腐蚀已很少见,往往加入葡萄糖酸钠、柠檬酸钠等络合剂,防止槽液中Al(OH)3 沉淀,即所谓“长寿碱”。有的加入硫化物,防止重金属在铝合金表面发生置换反应,以消除“流痕”5。也有的加入氧化物和硝酸盐,用以产生无光砂面效果。2.1.4 化学抛光化学抛光是上世纪40年代后期发明的。当Henley在做磷酸- 硫酸型的电解抛光时,在尚未通电的情况下,发现铝的腐蚀有光亮效果,接着他仔细研究了这个现象,得到了最早的化学抛光工艺:磷酸75%(体积) ,硫酸25%(体积) ,操作温度为90100。后来人们发现在上述工艺
14、中加10%的硝酸,可以得到特别光亮的效果。由是,化学抛光在工业中得到应用,相应的专利陆续公布。光亮阳极氧化稳定地进入市场,替代了部分钢或铜上镀镍- 铬的工艺6。化学抛光不需要通电,也不需要专用夹具,操作简单,但需要良好的加热和通风设备。使用高纯铝能得到反射率为100 %的效果,普通铝合金也能达到装饰性的光泽度。由于化学抛光比电解抛光成本低,所以大多数光亮阳极氧化是用化学抛光配套的。最通常的化学抛光工艺是:磷酸75%(体积分数) ,硝酸15%(体积分数) ,硫酸10%(体积分数) ,操作温度90110,时间0.53min。有的工艺只用磷酸和硝酸,有些加了醋酸、铬酸或氢氟酸。添加少量的钴盐、镍盐、
15、铜盐可以增加抛光的亮度。化学抛光最大的缺点是会产生NOx 有毒气体,黄色的NOx 气体是强烈的致癌物质,是化学抛光车间难以消除的“黄龙”。人们采取了许多办法来解决这一技术难题,日本的Tajima ,采用“笼形”化合物吸收有毒气体,得到无黄烟化学抛光新工艺;德国对于纯度达99.99%的铝件,采用16%(体积分数) 的氟化氢铵,13 %(体积分数)硝酸,25g/L的糊精,操作温度较低,析出气体很少。Kaiser铝和化学品公司发明了类似的工艺(体积分数): 2.5%硝酸,0.6%氟化氢铵,0.6%铬酸,0.6%甘油,0.05 %硝酸铜。也有在磷酸- 硫酸配方中加有机硫化物替代硝酸,得到无黄烟抛光工艺。除酸性化学抛光外,还有碱性化学抛光工艺,但其效果远不及前者,故较少应用。典型的碱性抛光配方含有: NaOH、NaNO2 、NaNO3 、Na3PO4 、Cu(NO3)2
