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铝合金阳极氧化前处理工艺的改进

肖作栋、李再亮
 
       [摘要]  常规的铝合金碱蚀工序时间长,易产生“过腐蚀”;处理的温度高,易产生白色班点,碱雾逸出造成环境污染;碱蚀后除去残留碱液和黑色挂灰需进行中和处理,工艺繁杂。为了解决以上问题,将新老工艺的特点进行了比较,提出了在同一槽中完成三道工序,即采用酸性浸蚀液(含有添加物K-301酸蚀剂)的新工艺。新工艺可在室温下降去铝合金上的油污和氧化膜,获得光亮、平整、洁净的表面,不用碱液,铝材损耗、槽液沉淀少,减少了污染,有利于环保。同时,还介绍了K-301酸蚀剂的组分、特性和作用。
       常规碱蚀脱除去阳极氧化膜层工艺,时间长,温度高,碱雾逸出污染严重。新工艺环保型脱膜工艺(K-302酸性脱膜剂),在常温中处理,无任何污染产生。
       常规“三酸”化学抛光工艺,大量逸出有毒黄烟(硝烟),污染环境,腐蚀厂房,设备。采用环保型添加剂(K-9601无黄烟化学抛光剂),不用硝酸,绝无有毒气体逸出,利于环境保护。
 
[关键词]铝合金;前处理;新工艺
[中图分类号] TQ153.6   [文献标识码A     [文章编号]1001-1560(2004)02-0028-02
 
一、前言
       铝合金产品的应用广泛(航空、电子、工业型材、建筑型材、汽车装饰另部件,民用装饰五金件等)。铝合金生产的前处理是铝合金生产的关键,它直接关系影响铝合金表面防腐蚀氧化膜层的生成,铝合金表面装饰的效果。
      目前的铝合金生产采用传统的常规工艺(脱脂—碱蚀—(化学抛光)—中和—氧化—封孔),使用常规的添加剂。其蔽端是生产工艺繁杂,废水、废液、废渣、废气的处理必须用专用环保处理设备处理。常规工艺生产的槽液必须加热、加温(用电或蒸汽加热加温)才能生产。常规工艺生产中会产生大量的碱雾、硝烟,对厂房、设备的腐蚀性较大,严重污染空气,对人员的身体有极大的危害。
       常规的铝合金生产的前处理采用碱蚀老工艺,其生产时间长,容易产生“过腐蚀”,处理的温度高(40-700C),易产生白色斑点,碱雾逸出会造成环境污染,碱蚀后除去残留的碱液和黑色挂灰需进行中和处理,工艺繁杂。为解决以上问题,将新老工艺的特点进行比较,改进成在同一槽中完成三道工序,即采用酸性浸蚀液(含有添加剂K—301酸蚀剂)的环保新工艺。
二、新老工艺流程及规范:
1、老工艺流程:
脱脂(除油)→碱蚀(加碱蚀剂)→中和除污(出光)→氧化→封孔。
(1)脱脂(除油)
   H2SO4(98%)         10%-15%
   酸性脱脂剂          0.5-1.0g/L
   温度                室温
   t                  3-5min
    (2)碱蚀
    NaOH                40-70g/L
    碱蚀剂              20-40 g/L  
    温度                40-700C
    t                  5-20min
   (3)中和除污(出光)
   HNO3                10%-15%
    H2SO4                10%-15%
温度                室温
    t                  3-5min
老工艺使用脱脂剂,碱蚀剂,NaOH、HNO3、H2SO4等。必须在3种不同的槽液中分3道工序完成浸蚀前处理。在老工艺流程中,碱蚀工艺是前处理工序的关键。碱蚀时必须加温,达到工艺规定的温度才能获得良好的碱蚀效果。碱液温度过低,铝材在碱蚀液中浸蚀时间长,可能产生腐蚀不均匀和“过腐蚀”的现象;碱液温度过高,极易产生“过腐蚀”黑色斑点。由于碱液要加温,铝材在碱蚀时反应强烈,并有大量的碱雾逸出,如果飘落在铝材表面,易产生白色斑点。碱雾的逸出对人体健康有害,所以生产场地必须配备良好的排风系统。
经碱蚀后的铝材表面必须经HNO3 、(H2SO4)中和除污(出光),去除残留的碱液和黑色挂灰[1]。含Si,Fe稍高的铝材表面所残留的黑灰(硅灰)难以除去,需用HNO3 : HF的混合酸液去除。
(4)新工艺规范
    H2SO4(98%)        20%-30%
    催化1号           40-50g/L
    K-301酸蚀剂       20-30g/L
温度                室温
     t                  1-5min
新工艺采用同一槽液一道工序完成酸性浸蚀,以替代老工艺的三道工序。3种不同槽液的浸蚀完全可以去除铝材表面的油污,自然氧化膜,不会有残留的黑色挂灰,以获得光亮、清洁的基体。对含Si,Fe稍高的合金铝也有抑制硅灰(黑灰)和漂白作用。
用新产品K-301酸蚀剂配制的槽液不需要加热,在室温中进行酸性浸蚀不会有酸雾产生,可以防止“过腐蚀”和“白色斑点”现象的产生。
K-301酸蚀剂中含有配体、抑灰剂、缓蚀剂等,水溶性较好。在室温中对铝材进行酸性浸蚀,对铝材的溶解量极少。试验证明,用失量法检测[2]铝材在浸蚀处理前单位重量为100,浸蚀处理后的单位重量为99.999—99.990,即损耗量为0.1%—0.3%。
按新工艺浸蚀铝材不会有“铝结石”产生,槽液沉淀物较少,不需要经常清槽。
三、新老工艺分析
1、新老工艺对比
表中列出了新老工艺和工序特点。
 
 
表  新老工艺特点
 
新工艺
老工艺
工序
1道
3种
槽液
1种
3种
槽液温度
室温
加温40-70℃
浸蚀时间
短(3-5min)
长(15-25min)
“过腐蚀斑点”
不产生
极易产生
黑色挂灰
有,需用HNO3(H2SO4)中和去除
“铝结石”
有(加碱蚀剂可防止)
沉淀物
极少,不需清槽
多,经常清橙,清槽困难
有害气体
大量碱雾,易产生“白色斑点”
排风系统
不需
加强排风系统
污染
大,需污水处理
铝溶解量
极少,仅0.1%-0.3%
大,约2%-4%
2、各组分分析
(1)K-301酸蚀剂的组分和作用:K-301酸蚀剂由脱脂剂、强氧化剂、配体、阳离子表面活性剂、缓蚀剂、光亮剂组成。
(2)脱脂剂  文献[3]对比了碱性和酸性脱脂工艺的优缺点,酸性脱脂基材表面平整、光亮、无钝化膜,活性中心均匀。实践证明,酸性脱脂工艺脱脂(除油)彻底,而且可以避免碱雾污染、结垢等。本新工艺的除油标准是:工件除油后,表面能全部被水润湿(即除油率为100%)。在H2SO4(20%—30%)的溶液中,加入表面活性物质具有湿润、乳化、增溶等作用,并促使金属表面的油膜起乳化反应,使油膜迅速分解成很小的油珠脱离金属表面,表露出清洁的金属基体。
(3)强氧化剂  选用无机类强氧化剂替代强碱,去除脱脂时基体上的残留物和深入基体表面层的油脂、尘埃等污物,腐蚀并去除金属基本表面的自然氧化膜,部分消除挤压痕及其他缺陷,调整和整平基体表面使之均匀一致。
(4)缓蚀剂  采用羟基羟酸及其盐作缓蚀剂,使金属基体在强氧化剂的腐蚀作用下,凸凹部的腐蚀速度不一致。铝材表面的溶解在凸处快,凹处慢,达到整平效果,消除部分挤压痕,增加基体光洁度。此结果是缓蚀剂在表面上的微观凸凹部位的吸附量不同所致。
另外,能有效地减缓腐蚀强度和速度,杜绝“过腐蚀”现象的产生,使铝的溶解极少。
(5)光亮剂 加入适量的有机醇类、磺酰胺类化合物作光亮剂,保持和增加基体表面的浸蚀后的光亮度。
(6)抑灰剂  抑制和去除浸蚀后残留在基体表面的黑色挂灰,对含Si,Fe高的合金铝在浸蚀后所产生的硅灰(黑灰)有去除和漂白作用。
(7)润湿剂  用阳离子表面活性剂起湿润使用,使酸性浸蚀更均匀,其吸附在裸露的铝基体上也能起到缓蚀使用。
四、常规脱除电解氧化膜层工艺(返工生产不合格产品必需脱除去氧化膜层),是在碱蚀槽液中,经过高温,长时间碱蚀脱除,再经中和槽液中和,除去残留的碱液和黑色挂灰,才能进入下道氧化工序。常规工艺脱膜处理,大量消耗碱和碱蚀剂,并逸出大量碱雾,腐蚀厂房、设备、污染空气,返工脱膜时,操作不当,极易产生“过腐蚀”。
新工艺环保、节能新产品K-302酸性脱膜剂,完全在常温下处理。能快速、干净脱除阳极氧化膜层,有效保护铝金属机体不受损伤,基本不损耗铝材重量。K-302脱膜剂能完全溶入酸、水中,杜绝有害沉淀物产生。
五、对于装饰性的铝合金产品,要想获得铝合金表面优良的,光亮的精饰效果,必须对铝合金基材表面进行化学抛光(或电化学抛光)的处理。常规的化学抛光(或电化学抛光),都是采用“三酸”抛光工艺(磷酸:70%,硫酸:20%,硝酸:10%)进行处理。其最大的危害是在高温(90-1200C)抛光处理中,大量逸出黄色的硝烟(有毒的氮氧化物),其不仅严重腐蚀厂房、设备,也严重污染空气,严重损害人员的身体健康。由此,生产线上必须安装大功率抽风系统,将有毒的黄烟抽排放到室外的空间中(对空气造成污染),生产人员必须戴好防毒烟面具,才能进行正常生产。
新工艺,环保型K-9601无黄烟化学抛光剂(也可用于电化学抛光的添加剂),在高浓度的磷酸,硫酸中混合使用。不用硝酸,也就没有黄色的硝烟逸出,生产线上不需安装抽风系统(仅用工业排风扇,外排无色、微量酸气),厂房、设备、无腐蚀,空气极少污染,对环境保护有益。
六、结束语:
研制开发的最新型环保、节能、低损耗铝合金阳极氧化、着色、电泳、喷涂生产的前处理添加剂:K-301酸蚀剂,K-302酸性脱膜剂,K-9601无黄烟化学抛光剂。是对碱性浸浊工艺;碱性脱除电解氧化膜层工艺;“三酸”化学抛光工艺的改进和创新。
碱性浸浊,脱膜工艺运用在生产中,会产生大量“铝结石”有害沉淀物,连续生产需频繁停产作清槽处理,碱蚀的污水浑浊,比重密度大,必需经专门环保污水处理系统进行处理,过多的“铝结石”有害沉淀物难予处理,堆放或掩埋法处理“铝结石”,极易污染生态环境(地下水质)。
碱性生产工艺,必需要用电(或蒸气)加热、加湿,消耗能源,损耗铝合金重量,导电挂科杆过多(1-4%)。
“三酸”化学抛光,大量有毒黄烟(硝烟)逸出,严重腐蚀厂房、设备、严重污染空气,损害人员身体健康。
采用新型环保、节能、低损耗的酸蚀新工艺,酸性脱膜工艺,不需加热、加温,完全在常温中生产,节约了能源消耗。新工艺微损耗铝合金产品重量和生产用导电挂科杆,有效地降低了生产成本。
新型环保无黄烟化学抛光剂,绝无有害气体逸出,绝无腐蚀源,绝不污染环境。
新型环保、节能、低损耗铝合金生产前处理新工艺,广泛应用于航空、电子、汽车、工业型材、建筑型材,日用五金装饰等铝合金零部件的阳极氧化、着色、电泳、喷涂等铝合金生产的前处理。
 
[ 参  考  文  献 ]
 
[1]曾华梁,吴仲达,秦月文,等,电镀工艺手册[M]。北京:机械工业出牌社,1989。
[2]王宗仁,孔庆山,巩桂芬,铝合金表面陶瓷化对前处理的依赖性[J],电镀与精饰,2002,4(3):15-18。

[3]张建新,苏亚平,6063铝合金型材氧化过程中出现“白班”原因分析及解决[J],电镀与涂料,2002,21(1):66—68。

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