針對鋁表面性能方面存在的缺陷, 表面處理是一項行之有效的保護措施。鋁的表面處理可以在保留鋁及其合金原有性能的基礎上, 提高與完善其表面的保護和裝飾性能。鋁的表面處理技術不是一項單一技術, 而切切實實是一項系統(tǒng)工程。它是多種機械處理工序和化學表面預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, 只有嚴格技術措施和工藝制度才能達到目的。

鋁的表面預處理方法有機械法和化學(電化學)法兩大類。機械法包括噴砂、 刷光、 掃紋和拋光處理等, 化學法包括脫脂、 堿洗、 去灰、 亞光處理和拋光處理等。鋁合金的工業(yè)化的表面保護處理技術運用最廣泛的有陽極氧化處理、 化學轉化處理(以前稱化學氧化, 中國不少資料至今沿用日語直接稱之為“化成”處理), 電鍍與化學鍍處理和有機聚合物涂裝處理(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轉化處理, 即化學氧化處理作為最終的表面處理方法。比較多的情形是化學轉化膜作為表面有機聚合物涂裝的底層, 在必要時陽極氧化膜也可以作為有機物涂裝的底層。鋁合金建筑型材的表面處理目前有陽極氧化處理、 陽極氧化電泳涂漆處理和有機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也是相當普遍和成熟的工藝。

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, 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, 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。因此防護性主要指防止鋁的腐蝕和保護金屬鋁的外觀, 陽極氧化膜和有機聚合物涂層等是最常用的兩種表面保護手段。裝飾性主要從美觀出發(fā)提高外觀品質, 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, 必然要同時考慮或增添防護措施, 也就是增添表面處理技術, 例如機械掃紋或機械拋光、 化學拋光或電化學拋光、 陽極氧化和著色、 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或物理的新特性, 比如增加硬度、 提高耐磨損、 強化電絕緣及親水性等。至于利用陽極氧化膜的多孔性特點沉積功能性粒子, 賦予鋁表面陽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極氧化功能膜領域。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 陽極氧化處理

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

鋁陽極氧化膜的硬度明顯高于金屬本身, 普通硫酸陽極氧化膜的顯微硬度約為300HV, 硬質陽極氧化膜可以達到450HV以上, 都遠遠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, 陽極氧化膜的耐腐蝕性能遠高于自然氧化膜的, 因此陽極氧化膜的耐腐蝕性和耐磨損性能都更加理想。而且鋁的陽極氧化膜本身具有很好的透明度, 從而在陽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感。因此陽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。有關鋁陽極氧化功能膜的特點和應用, 請參閱本章參考文獻[2]。

近年興起的微弧氧化, 也叫火花陽極氧化、 微等離子體氧化、 微等離子表面陶瓷化處理等, 是電化學過程與物理放電過程共同作用的結果。微弧氧化膜的硬度甚至可以達到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。普通陽極氧化膜, 包括硬質陽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數量的晶態(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。可能由于能耗比較高, 大規(guī)模批量生產的操作不太容易等因素, 微弧氧化生產的發(fā)展水平和規(guī)模沒有預想中那么理想和廣泛, 目前的技術開發(fā)和工藝進步還不理想[8]。

1.5.2 化學轉化處理

鋁的化學轉化處理, 如鉻酸鹽處理、 磷/鉻酸鹽處理或無鉻化學轉化處理等, 通常作為有機聚合物涂裝的底層, 有時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仍是正在采用的一種鋁的表面保護手段, 為了消除六價鉻對于環(huán)境的有害影響, 國內外都在進行無鉻的化學轉化處理的研究開發(fā), 目前的生產線至少應該有一套完善的將六價鉻還原為三價鉻的環(huán)境保護體系。根本的辦法是化學轉化處理應該從傳統(tǒng)的鉻酸鹽處理轉向開發(fā)無鉻的化學轉化處理技術, 或者采取不水洗的鉻酸鹽處理技術作為過渡階段的替代手段。由于歐洲對于環(huán)境保護的標準要求最高, 因此歐洲在無鉻化學轉化處理的普及方面做得最好, 目前大生產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預處理, 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)前景的無鉻化學轉化體系還有稀土金屬(以鈰鹽的研究較多)系, 有機硅烷處理等。盡管無鉻化學轉化的工業(yè)運用目前還不十分理想, 但是作為化學轉化處理替代六價鉻的方向是毋庸置疑的。

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

1.5.3 有機物涂裝處理

有機物涂裝技術包括刷涂、 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。陽極氧化電泳涂裝復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優(yōu)勢。

有機聚合物靜電噴涂通常用化學轉化膜作為底層, 為了消除絲狀腐蝕有時也采用陽極氧化膜作底層。陽極氧化電泳涂裝復合膜起源于日本, 是在鋁的陽極氧化膜基礎上, 陽極電泳丙烯酸樹脂形成的雙層膜。上述兩類有機聚合物膜, 中國都有相當大的工業(yè)規(guī)模的鋁型材處理生產線。鋁板帶的有機涂層基本上采用輥涂工藝生產, 我國也已經形成較大的生產規(guī)模。

有機聚合物噴涂膜在歐洲比較普遍, 近年來在中國建筑鋁型材表面處理方面得到迅速發(fā)展, 其市場規(guī)模已與陽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60年代日本已經開發(fā)成功并投放市場, 中國也已使用多年。溶劑型丙烯酸漆也可以用靜電液體噴涂成膜, 目前中國使用的比較少, 因為水溶性電泳涂裝技術的環(huán)境效應非常好, 而且操作方便。氟碳涂料也采用靜電液相噴涂, 現在認為是耐候性最佳的有機涂層。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)性有機化合物(VOC)造成的大氣污染, 并存在溶劑著火的危險, 從環(huán)境保護和安全生產角度出發(fā)最好避免使用。歐洲目前已經開發(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問世, 國外已經通過性能檢測并進入商品市場, 但是中國目前還未普遍使用。

1.5.4 電鍍或化學鍍處理

電鍍和化學鍍本身是一項已經運用多年、 比較成熟的獲得金屬鍍層的工業(yè)化表面處理技術。電鍍層或化學鍍層可以得到金屬的外觀, 獲得導電性好的金屬表面層, 既提高金屬鋁的保護性又賦予某些工程特性。但是由于鋁表面具有非常強的化學活性, 使得普通電鍍層或化學鍍層對于鋁的附著力往往很差, 必須采取可靠的專門的鍍前預處理, 以保證金屬電鍍層或化學鍍層對于金屬鋁基體的附著力。目前鋁上電鍍前的預處理主要是鋅酸鹽處理, 俗稱浸鋅處理可以滿足技術需要。除此以外, 國內外鋁合金鍍前預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展。但要產業(yè)化還值得進一步研究探討, 以達到可靠性、 穩(wěn)定性和低成本的批量生產水平。

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)化生產條件。另外還有表面搪瓷琺瑯化處理工藝, 國外早期雖已經工業(yè)化生產用在建筑業(yè), 中國目前尚沒有工業(yè)化批量化生產應用實例, 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

[1] 朱祖芳. 鋁合金陽極氧化工藝技術應用手冊. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2007

[2] 川合慧著, 朱祖芳譯. 鋁陽極氧化膜電解著色及功能膜應用. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2005

[3] 日本輕金屬製品協(xié)會.ァルミニウム加工方法と使い方の基礎知識. 東京: 日本輕金屬制品協(xié)會, 2004

[4] 日本輕金屬製品協(xié)會. ァルミニウム表面處理の理論と實務(第三版). 東京: 日本輕金屬製品協(xié)會, 1994

[5] 日本輕金屬制品協(xié)會.ァルミ表面處理ノート(第五版).東京: 日本輕金屬製品協(xié)會,

[6] 朱祖芳. 中國建筑鋁型材的表面處理工藝及發(fā)展方向, 2004年8月24日國際標準討論會報告, 東京, 2004

[7] 朱祖芳.建筑鋁型材的表面處理技術現況及發(fā)展趨勢, 電鍍與涂飾, 2005, 24(4): 14-17

[8] 朱祖芳. 鋁及鎂合金的微弧氧化和抑弧氧化.中國鎂業(yè), 2004(3): 22-25

[9] F.Falcone. 5th world congress Aluminium 2000(C), 18-22 March 2003, Rome, Italy

[10] F.Falcone. 4th world congress Aluminium 2000(C), 12~15 April 2000, Brescia-Italy

[11] T.Dullus. 4th world congress Aluminium 2000(C), 12~15 April 2000, Brescia-Italy

[12] 王祝堂, 田榮璋. 鋁合金及其加工手冊(第三版). 長沙: 中南大學出版社, 2000