針對(duì)鋁表面性能方面存在的缺陷, 表面處理是一項(xiàng)行之有效的保護(hù)措施。鋁的表面處理可以在保留鋁及其合金原有性能的基礎(chǔ)上, 提高與完善其表面的保護(hù)和裝飾性能。鋁的表面處理技術(shù)不是一項(xiàng)單一技術(shù), 而切切實(shí)實(shí)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。它是多種機(jī)械處理工序和化學(xué)表面預(yù)處理工序與各種表面成膜和涂裝處理工序的搭配和組合, 甚至工序之間的正確清洗同樣是不可輕視的步驟, 只有嚴(yán)格技術(shù)措施和工藝制度才能達(dá)到目的。

鋁的表面預(yù)處理方法有機(jī)械法和化學(xué)(電化學(xué))法兩大類。機(jī)械法包括噴砂、 刷光、 掃紋和拋光處理等, 化學(xué)法包括脫脂、 堿洗、 去灰、 亞光處理和拋光處理等。鋁合金的工業(yè)化的表面保護(hù)處理技術(shù)運(yùn)用最廣泛的有陽(yáng)極氧化處理、 化學(xué)轉(zhuǎn)化處理(以前稱化學(xué)氧化, 中國(guó)不少資料至今沿用日語直接稱之為“化成”處理), 電鍍與化學(xué)鍍處理和有機(jī)聚合物涂裝處理(電泳、 噴粉或噴漆)等。在使用要求不高的情形下可以通過單一的化學(xué)轉(zhuǎn)化處理, 即化學(xué)氧化處理作為最終的表面處理方法。比較多的情形是化學(xué)轉(zhuǎn)化膜作為表面有機(jī)聚合物涂裝的底層, 在必要時(shí)陽(yáng)極氧化膜也可以作為有機(jī)物涂裝的底層。鋁合金建筑型材的表面處理目前有陽(yáng)極氧化處理、 陽(yáng)極氧化電泳涂漆處理和有機(jī)聚合物靜電噴涂處理三大類, 而建筑用鋁合金板帶的輥涂技術(shù)也是相當(dāng)普遍和成熟的工藝。

鋁材表面處理的根本目的是要解決鋁及其合金的防護(hù)性(protection)、 裝飾性(decoration)和功能性(function)三方面問題。鋁的腐蝕電位比較負(fù), 其全面腐蝕和局部腐蝕都比較容易發(fā)生, 鋁與其他金屬接觸(包括電接觸)時(shí), 由于電偶作用使鋁的腐蝕明顯加速, 也就是說鋁的電偶腐蝕問題非常突出。因此防護(hù)性主要指防止鋁的腐蝕和保護(hù)金屬鋁的外觀, 陽(yáng)極氧化膜和有機(jī)聚合物涂層等是最常用的兩種表面保護(hù)手段。裝飾性主要從美觀出發(fā)提高外觀品質(zhì), 如除去表面缺陷、 不規(guī)則紋理或擠壓條紋、 保持和提高金屬的表面光亮度、 賦予鋁表面以各種顏色或各種紋飾等等。為了使這種裝飾作用持久保持, 必然要同時(shí)考慮或增添防護(hù)措施, 也就是增添表面處理技術(shù), 例如機(jī)械掃紋或機(jī)械拋光、 化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光、 陽(yáng)極氧化和著色、 以及涂裝透明漆膜或彩色漆膜等。功能性是指賦予金屬表面的某些化學(xué)或物理的新特性, 比如增加硬度、 提高耐磨損、 強(qiáng)化電絕緣及親水性等。至于利用陽(yáng)極氧化膜的多孔性特點(diǎn)沉積功能性粒子, 賦予鋁表面陽(yáng)極氧化膜以新的功能(電磁功能、 光電功能)等, 更形成了具有廣泛潛在用途的另一大類嶄新的陽(yáng)極氧化功能膜領(lǐng)域。本章作為全書的引子, 以下全面扼要介紹幾種主要的表面處理方法。

1.5.1 陽(yáng)極氧化處理

陽(yáng)極氧化是鋁的一種“萬能”的表面處理技術(shù), 也是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的, 人們最熟悉的鋁合金的表面保護(hù)技術(shù)。只要談及鋁材的表面處理, 人們總是首先想到陽(yáng)極氧化。陽(yáng)極氧化的類型很多, 按照陽(yáng)極氧化膜的結(jié)構(gòu)有壁壘型和多孔型兩大類。陽(yáng)極氧化處理作為鋁材的一種表面保護(hù)手段, 生成的是多孔型陽(yáng)極氧化膜, 而不是壁壘性陽(yáng)極氧化膜。多孔型陽(yáng)極氧化膜可以進(jìn)行著色處理, 按照性能和使用要求分別進(jìn)行電解著色或染色處理。為了滿足耐腐蝕性和耐候性等各種性能要求, 通常必須進(jìn)行多孔型膜的封孔處理, 從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)分別選擇熱封孔、 冷封孔、 中溫封孔甚至有機(jī)物封孔, 如電泳涂漆等。許多無機(jī)酸或有機(jī)酸溶液都可以作為陽(yáng)極氧化的槽液, 硫酸陽(yáng)極氧化是最常使用的陽(yáng)極氧化工藝, 鋁合金建筑型材的陽(yáng)極氧化槽液通常是130~200 g/L的硫酸溶液。雖然在某些情況下, 如硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理, 在硫酸中可能添加草酸或其他有機(jī)酸。

鋁陽(yáng)極氧化膜的硬度明顯高于金屬本身, 普通硫酸陽(yáng)極氧化膜的顯微硬度約為300HV, 硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜可以達(dá)到450HV以上, 都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬鋁和鋁合金材料的硬度值。如前所述, 鋁表面自然氧化膜是鋁耐腐蝕的基礎(chǔ), 陽(yáng)極氧化膜的耐腐蝕性能遠(yuǎn)高于自然氧化膜的, 因此陽(yáng)極氧化膜的耐腐蝕性和耐磨損性能都更加理想。而且鋁的陽(yáng)極氧化膜本身具有很好的透明度, 從而在陽(yáng)極氧化處理之后的金屬表面, 還可以保持鋁的原有的亮麗金屬質(zhì)感。因此陽(yáng)極氧化處理不僅改善了鋁合金的表面耐腐蝕性等使用性能, 而且通過著色或染色可以得到多色多彩的外觀, 大大提高了鋁的裝飾性。此外陽(yáng)極氧化膜可以得到某些工程特性, 譬如耐磨性或其他功能特性。有關(guān)鋁陽(yáng)極氧化功能膜的特點(diǎn)和應(yīng)用, 請(qǐng)參閱本章參考文獻(xiàn)[2]。

近年興起的微弧氧化, 也叫火花陽(yáng)極氧化、 微等離子體氧化、 微等離子表面陶瓷化處理等, 是電化學(xué)過程與物理放電過程共同作用的結(jié)果。微弧氧化膜的硬度甚至可以達(dá)到2000HV以上, 特別適合于耐摩擦磨損要求特別高的鋁合金零部件。普通陽(yáng)極氧化膜, 包括硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜都是非晶態(tài)的氧化物, 而微弧氧化膜則含有相當(dāng)數(shù)量的晶態(tài)氧化鋁成分。晶態(tài)氧化鋁(α-Al2O3)又叫剛玉, 是硬度很高的高溫相, 因此微弧氧化膜的硬度特別高, 耐磨性也特別好?？赡苡捎谀芎谋容^高, 大規(guī)模批量生產(chǎn)的操作不太容易等因素, 微弧氧化生產(chǎn)的發(fā)展水平和規(guī)模沒有預(yù)想中那么理想和廣泛, 目前的技術(shù)開發(fā)和工藝進(jìn)步還不理想[8]。

1.5.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化處理

鋁的化學(xué)轉(zhuǎn)化處理, 如鉻酸鹽處理、 磷/鉻酸鹽處理或無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理等, 通常作為有機(jī)聚合物涂裝的底層, 有時(shí)候也作為鋁的最終表面處理手段, 其中以傳統(tǒng)的鉻酸鹽處理的鉻化膜耐腐蝕性最好。雖然鉻酸鹽處理目前在中國(guó)仍是正在采用的一種鋁的表面保護(hù)手段, 為了消除六價(jià)鉻對(duì)于環(huán)境的有害影響, 國(guó)內(nèi)外都在進(jìn)行無鉻的化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的研究開發(fā), 目前的生產(chǎn)線至少應(yīng)該有一套完善的將六價(jià)鉻還原為三價(jià)鉻的環(huán)境保護(hù)體系。根本的辦法是化學(xué)轉(zhuǎn)化處理應(yīng)該從傳統(tǒng)的鉻酸鹽處理轉(zhuǎn)向開發(fā)無鉻的化學(xué)轉(zhuǎn)化處理技術(shù), 或者采取不水洗的鉻酸鹽處理技術(shù)作為過渡階段的替代手段。由于歐洲對(duì)于環(huán)境保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)要求最高, 因此歐洲在無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的普及方面做得最好, 目前大生產(chǎn)主要采用氟鋯酸鹽和氟鈦酸鹽體系, 但是主要用于鋁板帶的靜電噴涂或輥涂的化學(xué)預(yù)處理, 在鋁型材方面還沒有廣泛使用[12~14]。正在研發(fā)中的比較有工業(yè)前景的無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化體系還有稀土金屬(以鈰鹽的研究較多)系, 有機(jī)硅烷處理等。盡管無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化的工業(yè)運(yùn)用目前還不十分理想, 但是作為化學(xué)轉(zhuǎn)化處理替代六價(jià)鉻的方向是毋庸置疑的。

由于化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的厚度比較薄, 其本身的保護(hù)性能一般也不如陽(yáng)極氧化膜的。即便鉻酸鹽處理作為有機(jī)聚合物的噴涂底層, 也難于避免膜下腐蝕的困擾。為此國(guó)外曾經(jīng)建議陽(yáng)極氧化膜作為有機(jī)聚合物的噴涂的底層, 并且在若干國(guó)外規(guī)范中建議此時(shí)膜厚〈8 μm, 以解決膜下絲狀腐蝕問題。這種辦法在中國(guó)并未實(shí)施, 國(guó)外也沒有得到推廣, 實(shí)際上這種考慮仍然存在不少技術(shù)問題, 由于陽(yáng)極氧化膜作為底層的存在使得有機(jī)聚合物噴涂膜的力學(xué)性能無法滿足檢測(cè)要求。

1.5.3 有機(jī)物涂裝處理

有機(jī)物涂裝技術(shù)包括刷涂、 浸涂、 噴涂和電泳等工藝, 在建筑鋁型材表面的有機(jī)聚合物涂裝中, 電泳涂裝和靜電噴涂最為普遍和可靠。目前廣泛使用的有機(jī)聚合物是聚丙烯酸樹脂(電泳涂裝用)、 聚酯樹脂-TGIC(粉末靜電噴涂用)、 聚偏二氟乙烯漆(氟碳漆靜電噴涂用)等。陽(yáng)極氧化電泳涂裝復(fù)合膜的膜厚控制精確, 膜厚的均勻性和覆蓋性特別好, 具有優(yōu)良的耐腐蝕性能, 尤其是耐膜下絲狀腐蝕性明顯優(yōu)于噴涂膜的。靜電粉末噴涂膜色彩豐富、 顏色變化多、 換色容易, 目前具有較好的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

有機(jī)聚合物靜電噴涂通常用化學(xué)轉(zhuǎn)化膜作為底層, 為了消除絲狀腐蝕有時(shí)也采用陽(yáng)極氧化膜作底層。陽(yáng)極氧化電泳涂裝復(fù)合膜起源于日本, 是在鋁的陽(yáng)極氧化膜基礎(chǔ)上, 陽(yáng)極電泳丙烯酸樹脂形成的雙層膜。上述兩類有機(jī)聚合物膜, 中國(guó)都有相當(dāng)大的工業(yè)規(guī)模的鋁型材處理生產(chǎn)線。鋁板帶的有機(jī)涂層基本上采用輥涂工藝生產(chǎn), 我國(guó)也已經(jīng)形成較大的生產(chǎn)規(guī)模。

有機(jī)聚合物噴涂膜在歐洲比較普遍, 近年來在中國(guó)建筑鋁型材表面處理方面得到迅速發(fā)展, 其市場(chǎng)規(guī)模已與陽(yáng)極氧化處理平分秋色。以聚丙烯酸樹脂的水溶性涂料作為電泳涂層, 在20世紀(jì)60年代日本已經(jīng)開發(fā)成功并投放市場(chǎng), 中國(guó)也已使用多年。溶劑型丙烯酸漆也可以用靜電液體噴涂成膜, 目前中國(guó)使用的比較少, 因?yàn)樗苄噪娪就垦b技術(shù)的環(huán)境效應(yīng)非常好, 而且操作方便。氟碳涂料也采用靜電液相噴涂, 現(xiàn)在認(rèn)為是耐候性最佳的有機(jī)涂層。靜電液相噴涂用的溶劑型涂料俗稱漆, 不可避免存在有毒的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)造成的大氣污染, 并存在溶劑著火的危險(xiǎn), 從環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)角度出發(fā)最好避免使用。歐洲目前已經(jīng)開發(fā)出耐候性接近氟碳涂料的新一代高耐用粉末, 并列入歐洲涂層規(guī)范(Qualicoat), 稱之為“二類粉末”。此外, 氟碳樹脂粉末也已經(jīng)問世, 國(guó)外已經(jīng)通過性能檢測(cè)并進(jìn)入商品市場(chǎng), 但是中國(guó)目前還未普遍使用。

1.5.4 電鍍或化學(xué)鍍處理

電鍍和化學(xué)鍍本身是一項(xiàng)已經(jīng)運(yùn)用多年、 比較成熟的獲得金屬鍍層的工業(yè)化表面處理技術(shù)。電鍍層或化學(xué)鍍層可以得到金屬的外觀, 獲得導(dǎo)電性好的金屬表面層, 既提高金屬鋁的保護(hù)性又賦予某些工程特性。但是由于鋁表面具有非常強(qiáng)的化學(xué)活性, 使得普通電鍍層或化學(xué)鍍層對(duì)于鋁的附著力往往很差, 必須采取可靠的專門的鍍前預(yù)處理, 以保證金屬電鍍層或化學(xué)鍍層對(duì)于金屬鋁基體的附著力。目前鋁上電鍍前的預(yù)處理主要是鋅酸鹽處理, 俗稱浸鋅處理可以滿足技術(shù)需要。除此以外, 國(guó)內(nèi)外鋁合金鍍前預(yù)處理的研究工作比較活躍, 不僅發(fā)表了較多論文, 工藝也有了明顯的進(jìn)展。但要產(chǎn)業(yè)化還值得進(jìn)一步研究探討, 以達(dá)到可靠性、 穩(wěn)定性和低成本的批量生產(chǎn)水平。

其他物理處理方法基本上處于研究或開發(fā)階段, 例如離子注入、 物理氣相沉積、 表面激光處理等, 目前還不具備大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)條件。另外還有表面搪瓷琺瑯化處理工藝, 國(guó)外早期雖已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)用在建筑業(yè), 中國(guó)目前尚沒有工業(yè)化批量化生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例, 為此本章不再贅述。本章所述各種表面處理工藝將在以下章節(jié)中分別詳述。

參考文獻(xiàn)

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