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铝镁及其合金电镀与涂饰工艺

日期:2018-05-11  浏览:244次  文字:【】【】【

铝镁及其合金电镀与涂饰工艺

周嘉瑜

 铝镁及其合金质量轻、比强度高,且具有良好的物理、力学性能和成型加工性能。目前已经成为继钢铁之后的第二、三大金属工程材料,广泛应用于航空航天、机械制造、电子电器、交通运输、建材装潢和日用生活品制造工业部门。随着科学技术的飞速发展,市场对铝镁及其合金制品的需求日益增长,产品的应用范围也更加广泛。

铝镁及其合金化学性高,其制品在自然环境中容易被腐蚀,因此,这些金属制品必须进行表面处理加工,以便保护材料质量在不受破坏的同时,还能够增添材料本身没有而且希望拥有的其它特性,如耐磨性、润滑性、导电性、焊接性等。从而提高了制品的技术含量,可满足高技术性能的要求,可靠性、装饰性和使用寿命的提高,使产品在市场的竞争能力明显得到了增长。

铝镁及其合金产品的表面处理工艺长期以来以转化膜工艺为主。近年来在传统工艺的基础上,研发了一系列的表面处理工艺,另一方面则是以化学转化膜为基础,再在转化膜底层表面进行化学镀、电镀等镀复各种金属镀层和涂复各种有机涂层的表面处理新工艺、新技术和新方法,以求获得更高质量的产品,来满足越来越大的市场需求。

目前,铝镁及其合金的表面处理工艺主要有化学转化膜、阳极氧化、化学镀、电镀、电泳涂装、粉末涂装等。以下分别叙述和加以介绍。

一、化学转化膜及着色

铝镁合金的化学镀工艺与其它金属基底的区别主要在于镀前的预处理,这是因为铝镁合金有诸多不利于镀复的因素,主要表现在:

1、铝镁的化学性质活泼,与氧的亲和力强;

2、铝镁的标准电极电位很负,远远低于其它镀层金属;

3、铝是两性金属,能溶于酸和碱,故在酸性或碱性镀液中都不稳定;

4、铝镁的线膨胀系数与很多金属差别很大;

5、铝镁及其合金中往往含有硅、铜等元素,合金中的第二相常具有不同于基体的电化学特性;

6、对于铝镁合金的铸件,常有沙眼、气孔和夹杂等表面缺陷。

基于以上特点,要克服对其进行化学镀(或电镀)的困难,其核心就是需要除去工件表面的氧化膜,并在工件表面形成能与镀层结合良好的特殊结构的人工氧化膜,进行镀前的预处理。

   金属及其合金经表面预处理后就可以进行化学镀,化学镀是借助合适的还原剂使溶液中的金属离子还原成金属状态,而沉积在工件表面上的镀复方法,化学镀实质上是一个在催化条件下的氧化还原反应过程。目前,能够用化学镀获得沉积层的金属有金、银、铬、铜、钴、镍、钯等,但对于铝镁及其合金,常用的是化学镀铜和化学镀镍。

    化学镀铜主要用于铝镁合金零部件电镀前打底层使用,化学镀镍则是铝镁合金应用最多的工艺手段。这是因为作为摩擦零件的铝镁合金可用化学镀镍件作为抗摩擦镀层,另外化学镀镍可以使铝镁合金工件进行锡焊工艺,以及铝镁合金用作化工器件(如管件、阀门、泵体内腔、反应器等)时,化学镀镍可使其替代贵金属的作用。

化学镀能使铝镁合金工件获得厚度均匀的镀层,且具有较高的硬度,镀层致密,孔隙小,但与其它镀层相比,所用溶液稳定性较差,维护、调整、再生都比较麻烦,镀层常显示出较大的脆性。

二、阳极氧化

铝及铝合金阳极氧化方法和种类很多,依照阳极氧化溶液种类通常分为硫酸阳极化、铬酸阳极化、磷酸阳极化、草酸阳极化和混合酸阳极化等。除这些常规的阳极氧化方法和工艺外,还有硬质阳极氧化、瓷质阳极氧化、微弧阳极氧化等特殊阳极氧化工艺。不过目前应用最广的阳极氧化工艺是硫酸阳极氧化,这是由于硫酸阳极氧化工艺简单,容易掌控和操作,硫酸的来源及供应充足而且便宜,从而使得加工成本低,而获得的膜层质量有保证,同时硫酸电解液所产生的废水容易处理,对环境造成的危害和影响极小,此外,硫酸阳极氧化产生的无色透明且多孔的氧化膜,活性高,容易吸附各种颜色的燃料,着色效果好,可使用自然着色或电解着色方法获取满意的有色膜层。

镁及其合金阳极氧化常采用铬酸盐阳极氧化、微弧阳极氧化、无铬阳极氧化工艺。普通的阳极氧化工艺可采用直流或交流电源,又分为低压(60-75v)和高压(75-95v)两种工艺。从而形成薄型和厚型氧化膜。镁及其合金阳极氧化膜呈多孔状,所以阳极氧化后必须进行封闭处理。另外,铬酸盐阳极氧化工艺由于毒性大,其应用正在逐步被五个氧化工艺取代。

三、电镀

铝及其合金较其它金属上电镀要困难得多,主要是起泡和脱皮,结合力不良,究其原因是由于铝和氧有很强的亲和力,属于两性金属、性质活泼、膨胀系数大等。提高铝及其合金上镀层的结合力关键在于有效清除铝工件表面上的自然氧化膜,并防止它重新生成。通常采用在铝基上镀复一层与其结合牢固的底层或中间层。铝与底层金属的结合应充分满足金属的晶格常数与铝的晶格常数比较接近,而且原子半径较小,如果铝与底层金属形成合金的则要有较高的固溶度,以利于镀层在原沉积层上延伸。实践证明,在洁净的铝及合金表面浸锌、锌铁合金、锌镍合金和浸镍等均可满足要求。经浸锌、镍、合金处理后就可以电沉积其它金属层(如铬、银、黄铜、铜/镍/铬)。

镁及其合金的金属镀层一般采用电镀方法进行,镁由于电位非常非常负-1.7V(SCE),不容易直接镀上耐腐蚀的金属,一般采用除油、活化、化学转化镀锌,然后镀铜,当镁及其合金表面镀上一层铜后,就可以按常规的电镀工艺在铜镀层上按需镀上其它金属。目前镁及其合金电镀工艺主要有下述五种技术路线:

1、除油→浸蚀→活化→浸锌→预镀氰化铜→预镀中性镍→后续电镀;

2、除油→浸蚀→活化→浸锌→预镀焦磷酸铜→后续电镀;

3、除油→浸蚀→活化→第一次预镀锌→第二次预镀锌→后续电镀;

4、除油→浸蚀→阳离子活化→直接化学镀镍→后续电镀;

5、除油→浸蚀→活化→浸锌→化学镀镍→后续电镀。

四、电泳涂装

电泳涂装是利用在电场的作用下使悬浮于电泳液中的带电荷的颜料和树脂等微粒定向的迁移并沉积于电极之一的基底表面的涂复工艺。即采用直流电源,将导电的铝镁及其合金工件作为阴极或阳极,当工件浸入电泳漆工作液中通电后,阳离子涂料粒子向阴极工件移动,或阴离子涂料粒子向阳极工件移动后沉积于工件表面,形成均匀连续性涂层,当涂膜达到一定的厚度时,工件表面呈现绝缘体时,“异性相吸”的反应就停止,电泳涂装工艺过程也就结束了。这看似简单的涂装过程,实际上包含了一个很复杂的电化学反应,它是一个拥电解、电泳、电沉积、电渗四种作用同时发生的工艺方法。

铝镁及其合金的电泳涂装形成的电泳漆膜具有涂层丰满、均匀、平整、光滑等优点,而且涂膜硬度、附着力、耐腐蚀、耐冲击性能,渗透性能均明显优于其它涂装工艺。

电泳涂装工艺除给铝镁及其合金工件诸多优点外,还具备如下特点:

1、电泳涂装采用的是水溶性涂料,以水为溶解介质,节省了大量的有机溶剂,大大降低了环境污染的危害,安全卫生并且避免了火灾隐患。

2、涂装效率高,涂料利用率高,达90-95%。

3、涂抹厚度均匀、附着力强、涂装质量好。

4、生产效率高,施工采用自动连续生产,大大提高了劳动生产效率。

5、设备较其它涂装工艺复杂,投资费用高,耗电量大,尤其是涂膜烘干湿度较高,涂装管理较为严格,施工条件也较苛刻。同时需要对废水进行处理。

五、静电粉末涂装

静电粉末涂装工艺是运用高压电场的感应效应或摩擦静电效应,将粉末涂料与绿梅及其工件受到感应而分别带上彼此相反电荷,从而使带电荷的粉末涂料吸附到带相反电荷的工件上,然后粉末涂料经加热熔融流平、烘烤固化形成有机涂膜的涂装方法。对于热塑性粉末涂料,经熔融、流平即可,而对热固性粉末涂料经熔融流平后,还需要树脂交联固化成膜加工,而且热固性粉末涂装工艺还是当前应用最多、最广的涂装方法。

目前,铝镁及其合金的静电粉末涂装工艺主要采用高压静电粉末喷涂和摩擦静电粉末喷涂两种方法,高压静电粉末喷涂是利用高压静电电晕电场原理,在喷涂的头部金属喷杯和喷针上接高压负极,被喷工件接地形成正极,使喷枪与工件形成一个极静电电场,而作为运载气体的压缩空气,将粉末涂料喷涂到工件上,形成厚薄均匀的粉末,经过热粉末熔融固化(或塑化)成均匀、连续、平滑、耐久的涂膜。摩擦静电喷涂是选用恰当的特殊材料作为喷枪枪体,涂装时粉末在压缩空气的推动下,与枪体内壁以及输粉管内壁发生摩擦而带电,然后吸附在铝镁及其合金带相反电荷的工件上的工艺方法。

随着现代工业的快速发展,铝合金的应用日益广泛,为满足工程应用中复杂的环境条件,特别是航空航天、电子、交通等工业越来越高的要求,对其表面处理工艺也提出了更高的质量标准。甚至可以讲已成为铝合金制造中的关键工艺。

镁合金由于质轻坚固,易于回收等诸多优点,目前国际上已成为继钢铁、铝合金、塑料的一种重要的替代材料,和铝合金一样,由于镁是更加活泼的金属,耐蚀性极差,在潮湿空气和中性、酸性介质中都容易受到腐蚀,耐蚀性差已成为制约镁合金扩大应用的主要因素之一。目前改善镁合金腐蚀性主要通过添加合金元素、减少杂质含量、进行适当的热处理等方法,改善合金本身的耐蚀性,而更主要的方法则是对镁合金制品进行适当的表面处理工艺,使它与外界环境的隔绝,阻止腐蚀的发生。

铝镁及其合金的电镀和涂饰工艺操作和研究提高,应根据铝和镁金属以及合金自身的特殊性,首先摸清它的特性,张窝它的规律,严格电镀和涂饰方法和工艺操作,尤其是镀涂前处理工序,耐心细致地按特殊的方法来操作和以保证电镀和涂饰质量,避免加工工件的返修和报废,使铝镁及其合金的表面处理技术向功能型、环保型和低成本方向发展。