铝合金表面处理研究_铝合金表面处理
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铝合金表面处理研究
学号：20091829 姓名：刘哲 专业班级：材科09-4班
2012年07月04日
铝合金表面处理研究
摘要：主要介绍了铝合金表面处理的一种方法-电镀，并对一些预处理进行分析与研究，知道了电镀过程中的一些参数的最佳数值。
关键字：表面处理、电镀、预处理
前言
金属表面复合涂层技术是指利用表面涂层工艺方法，如电镀、化学镀、真空熔覆、热喷涂、气相沉积、阳极氧化、热化学反应法、溶胶-凝胶法、离子注入以及涂装等技术，在金属表面形成一层或数层具有复合材料结构和性质，并与金属表面结合良好的薄膜[1]。近年来，进行涂覆的基体金属及合金主要有：碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金、镁合金及钛合金等。金属表面复合涂层可广泛应用于石油、化工、能源、机械、冶金、电子信息、航空航天及军事装备等领域，正向着多功能性和应用性的方向发展。因此，金属表面复合层作为新材料研究的一个重要方向，具有广阔的应用前景。
铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。铝的产量在金属中仅次于钢铁的。至 19 世纪末，铝才崭露头角，成为在工程应用中具有竞争力的金属。铝合金的加工性能好，表面经抛光后具有良好的光反应能力。因此，在飞机、汽车、电器、仪表、日用品等领域，铝合金获得广泛的应用［2］。然而铝合金也存在缺点，主要是耐腐蚀性差，并且还有产生晶间腐蚀的倾向，这是一种最危险的腐蚀破坏。通过表面处理的途径，即氧化或电镀可以提高铝合金的耐蚀性，从而提高其使用性能[3 ],对铝和铝合金表面制备复合涂层意义深远[4]。国外在铝合金表面复合涂层研究方面投入了大量人力、物力，近年来相继出现了多种复合涂层。如美国为航空、航天应用的铝合金件开发了“TUFRAM”涂层，它是由一般阳极氧化膜层再渗入有机聚合物而成，表面性能优异，在民用产品方面也得到了推广[5]。我国在铝合金表面复合涂层研究方面也非常活跃。Li 等[6]应用化学复合镀在铝合金表面制备出了含 70vol%SiC 颗粒的 Ni-P-SiC 复合涂层。蒋驰等[7]在铝材基体上，综合应用等离子喷涂和电弧喷涂等热喷涂方法，喷涂钽、镝、铅等材料，制备具有辐射屏蔽效应的多层复合涂层，涂层与基体之间结合紧密，组织均匀致密，孔隙率低，满足了辐射屏蔽要求。黄开金等[8]采用激光熔覆在 AA7075 铝合金表面熔覆了 Zr-Cu-Ni-Al-TiC 复合粉末，制备出 Zr 基复合涂层，熔覆层表现出优异的耐磨性，尤其是随着熔覆层中 TiC 含量的增加，耐磨性得到显著的提高。一.铝合金电镀预处理
复合电镀是在电解质溶液中加入一种或数种不溶性固体颗粒，在金属离子被还原、形成镀层的同时，不溶性固体颗粒均匀弥散地分布于金属镀层中，形成复合镀层。采用电镀法可以制备多种复合镀层，主要有耐磨、自润滑、弥散强化、耐蚀性等复合镀层以及提高有机涂层结合强度的中间复合镀层。复合电镀具有以下特点：工艺简单、镀层多样化和分散相颗粒品种多[1]。
1.1挂具
对于铝合金电镀来讲，挂具是先决条件，特别是大件，必须要保证足够大的接触面积，以保证导电良好，不要用镀过铜的挂具，因为铜触点与铝件发生铜置换而产生触点起泡。1.2碱蚀
在保障去油、去蜡清洗干净的前提下，碱蚀的浓度、温度、时间控制至关重要，由于铝在氢氧化钠中优先溶解，易发生过度腐蚀和碱蚀不匀现象。1.3酸蚀(除垢)
由于铝合金是由铜、铁、镁、硅等成分组成，通常不与碱液发生反应，所以必须通过酸蚀（除垢）工艺除掉这些氧化物，使表面裸露出洁净金属基体。酸蚀（除垢）液一定要控制温度、浓度和时间这三个要素，特别温度，这是夏季铝合金易起泡的罪魁祸首，在夏天一定要有冷冻降温设备。对于含镁较高的铝合金在除垢之前必须用以下工艺，才能获得结合力良好的镀层。以下浸蚀工艺为：硫酸15%(体积百分浓度)，时间2~5 m i n，温度80℃。以下除垢工艺为：硝酸50%，温度15~25℃，时间1~2 m i n，再沉鋅。
1.4铝合金件必须浸镀过渡金属层
如浸锌、锡、镍金属，才能获得结合力良好的镀层，目前大多应用于大量生产的以沉锌为多，以二次沉锌工艺占主导，这是因为通常预浸锌得到的锌层粗糙多孔，结合力不好，为了进一步提高基体与镀层的结合力，常采用再次浸锌，这样得到的锌层比较平滑致密［9］。沉锌一般由市售、自配各占半壁江山，自配的以传统锌酸络合盐为基础，再加入铁、镍、铜与有机络合剂，即成了四元合金沉锌液，自配成本相应较低些，沉锌液的维护与管理需要注意以下几点：
（1）沉锌液温度：沉锌最好维持在15~25 ℃之间，过高由于锌等金属置换过快，得到灰黑疏松、粗糙，甚至海绵状的置换层，这种锌置换层结合力很差。而温度较低时，沉锌液反应比较温和，锌等合金析出量少，锌等合金置换层均匀致密，耐蚀性能和基体的结合力大有提高，所以很多厂家总抱怨夏天铝件总是起泡，其实铝合金电镀，夏天冷冻机是不可缺少的设备。
（2）沉锌时间：沉锌时间与沉锌液温度、浓度成反比（特别是金属离子的浓度），在沉锌液温度15~25℃，浓度20波美度时，沉锌时间第一次1 min左右，第二次30 s，过长会变得粗糙多孔，致密性、均匀性降低，影响后续工序。
（3）严格控制好沉锌的浓度，特别是碱与锌的综合比，一般N aO H 与Zn最佳比值为(10~12)∶1。当碱与锌比值过高时，置换出的锌合金结晶细致，但在铝合金表面沉积速度缓慢，对铝表面溶解速度加快，电镀后易产生麻点；当N aO H 对Zn比值过低时，在沉锌液中浸3~5 s，就会置换灰黑色的锌合金，这种置换层粗糙多孔，致密性差，电镀中途就会发现起泡，一般小型电镀厂沉锌液是市售的，没有分析条件，浓度完全靠波美计测定，据本人经验得出，低于15波美度，有的会出现起泡现象，高于25波美度，应缩减沉锌时间，当然应考虑沉锌液老化程度，比如，铝在沉锌液中会有溶解，随其铝溶解量的增加，溶液波美度也随之上升，所以会产生误差，如果带出量很少的话，应及时更换部分老液，适当补充新液。1.5预镀层
（1）铝合金电镀必须要求有一层结晶细致，厚度均匀，无孔隙的过渡镀层，避免在电镀酸铜被腐蚀而起泡。
2009年3月宁波市电镀行业协会专家工作委员会开会推广H ED P无氰镀铜工艺，取代了铝合金通常用昂贵的预镀镍工艺，这是铝合金电镀的一次革命，值得推广。（2）预镀镍 由于目前铝合金普遍采用瓦特镀镍液为基础的预镀镍工艺，作为过渡层，所以一向被人们所接受。但其最大的缺点就是：镀液易被铝、锌、铁等金属杂质所污染，经常需要电解或化学方法予以净化，才能保证预镀层的质量。
中性镍：由于中性镍pH 值近中性，对工件腐蚀很小，即使少量Zn溶解，因柠檬酸钠会隐蔽Zn，不影响镀层。
参考配方：硫酸镍140 g/ L、氯化镍30 g/ L、柠檬酸钠140 g/ L、硫酸铵35 g/ L、葡萄糖酸钠30 g/ L、湿润剂2 m l / L、pH 值6.8~7.2、温度50~60 ℃、电流密度2~3 A/ dm2。本人认为先镀中性镍作为预镀层，再用瓦特镍镀镍加厚，这样不但可以缩短预镀时间，减少金属杂质污染，并且可使预镀层更细致，紧密无孔隙，以保证铝合金表面结合力耐蚀性进一步提高，特别适用于汽车等高防腐耐用消费品。二.电镀参数对电镀质量的影响
铝合金的主要缺点是耐腐蚀性差，其合金容易产生一种潜在危险的腐蚀破坏———晶间腐蚀[10]。根据实验及计算结果可得出不同搅拌速度下的镀速。得知，搅拌速度对镀速影响很大，随搅拌速度的增大，镀速有很大提高； 但搅拌速度不能过 大，否则镀速有下降的趋势。搅拌速度低于 300r/min时，镀速随搅拌速度的增大而增加，高于 300r/min时，镀速随搅拌速度的增大而降低。铝合金试样施镀后，在不同搅拌速度下试样的镀层是很多细的颗粒，结果表明，当搅拌速度为 300r/min 时，镀层表面颗粒最小，最均匀，颗粒之间结合最紧密，镀层质量最好。
根据试验及计算结果可得出不同电流密度下的镀速,可知电流密度对镀速影响很大, 随着电流密度的增大, 镀速有很大提高, 但是电流密度过大时镀速有下降的趋势。电流密度低于 3.0 A /dm2时, 镀速随电流密度值的增加而增加, 高于 3.0A/dm2时, 镀速随电流密度值的增加而减少。一般情况下电流密度增加其沉积速度也会增加, 这符合法拉第定律, 但是当电流密度过高时, 溶液中消耗的镍离子不能得到及时的补充, 因此在电沉积过程中镀层会出现烧焦现象, 效果并不理想, 因此电流密度控制在 3.0 A /dm2为好。
三.铝合金电镀的应用
作为汽车安全件的铝合金轮毂，不但在车辆行驶过程中需要承受整车车身重量和过载压力，而且还要求具有比整车寿命更长的运行时间；同时轮毂在平衡整车外形美观方面也发挥着举足轻重的作用，所以轮毂的表面处理技术在提高轮毂耐腐蚀性、提高抗石击能力和增加美观效果等方面，都显得尤为重要。
目前，铝合金轮毂表面处理工艺主要分为涂装（喷漆或喷粉）和电镀两大类，过去那种单纯的阳极氧化膜处理工艺已逐步被淘汰。
铝轮毂电镀最早兴起于美国，高档汽车配上这样的轮毂显得华丽而且与众不同，主要原因是铝的轻质与装饰铬外观的完美结合。镀铬工艺主要流程为：除油→清洗→酸蚀→预镀锌→预镀暗镍→预镀亮铜→清洗→活化→镍封→镀铬→清洗→吹积水→烘干，电镀设备可采用连续通过式或步进式的电泳槽，但这样的传统电镀工艺由于使用强酸、强碱及氰化物、铬酐等有毒有害化学品，产生的废水成分复杂，对环境影响很大。随着社会环保意识的加强，大力发展环保产品才能真正促进经济发展，任何牺牲环保与浪费资源的发展都只能是短暂的，所以近几年来，国内外都加大了对铝轮毂表面处理的研究，新技术、新工艺也层出不穷。
此外，铝合金因密度小，比强度高，可以采用压铸技术高速地生产尺寸精度高、形状复杂和质量轻的零部件，从而在航空及建筑等领域获得广泛使用[11]。结语与展望 新的涂层技术层出不穷，并朝着高精密和智能化方向发展，如超声火焰喷涂、激光熔覆、真空烧结和激光诱导 WD 法等；同时也研制出了许多新的复合涂层，并向着多功能性和实用性的方向发展。金属表面复合涂层无疑具有很大的潜力和良好的发展前景，但也存在一些需要进一步探讨和亟待解决的问题：①继续完善现行工艺的研究，制备出性能更佳、品种更多的复合涂层，并加大涂层的实际应用和规模化生产的开发；②进一步深入研究解决复合涂层与基体金属之间的附着力差、涂层失效机理、涂层性能测定及涂层稳定性模拟等问题；③发展节能、清洁、无污染、工序简便、成本低和生产效率高的新工艺，应是今后的发展方向；④涂层多组元、纳米化、梯度化、微叠层、无机-有机杂化及多功能化应作为以后研究的重点。
参考文献
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