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铝合金表面氧化膜去除方法研究进展

2023-01-08 来源:意榕旅游网
2013年11月 电镀与精饰 第35卷第11期(总248期) ・l5・ doi:10.3969/j.issn.1001—3849.2013.11.004 铝合金表面氧化膜去除方法研究进展 熊金平 , 赵艺阁 , 周 勇 , 黄若愚 (1.北京化工大学教育部碳纤维及功能高分子材料重点实验室,北京 100029;2.北京化工大学 材料电化学过程与技术北京市重点实验室,北京100029) 摘要:铝合金材料在加工和使用前需要对其进行预处理,其中表面氧化膜的去除是一个重要的环 节。综述了近年来国内外关于铝合金表面氧化膜去除方法的研究进展,主要包括物理方法、化学方 法和电化学法,并对这些方法的去除机理以及局限性进行了阐述,以期为寻找出一种能够不影响铝 合金各项性能而同时高效去除氧化膜的方法提供帮助和指导,并对未来的发展方向做出了展望。 关键词:铝合金;氧化膜;去除 文献标识码:A 中图分类号:TG174.451 Research Progress of Removal for Oxide Films on Aluminum Alloy XIONG Jin—ping ,ZHAO Yi—ge ,ZHOU Yong ,HUANG Ruo.yu , (1.Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymer of Education Ministy,Beirjing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Beijing Key Laboratory of Electrochemical Process and Technology for Materils,Beiajing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China) Abstract:As a common metal material,aluminum alloys need to be undergone some surface pretreat— ments prior to processing or using,and the removal for surface oxide iflms is one of the most important as- pects.In this paper,the research status and progress of removal for oxide films on aluminum alloys were reviewed,including physical methods,chemical methods and electrochemical methods.At the same time, mechanism and limitation of these methods were also discussed in order to find out an emcient and no side-effects method.Finally,the future development direction was prospected. Keywords:aluminum alloy;oxide films;removal 一引 言 铝合金作为一种常用的合金材料,具有硬度 高、密度低、加工性能好、导电导热性好和可热处理 强化等优点,在建筑¨J、汽车 。J、电力 及航天航 种是采用化学氧化或电化学氧化的方法在铝合 金表面制备出的氧化膜,这层氧化膜厚度可达数百 微米,而且具有高硬度、高耐磨性、与基体结合牢 固、强吸附能力和高耐蚀性等优点。但是,在铝合 金表面的氧化膜制备过程中,经常会有残次品需要 返工处理,需要清除表面旧的氧化膜而重新制备新 的氧化膜。 空 等领域有着良好的应用前景。 铝合金表面通常都会有一层致密的氧化膜,其 主要成分为氧化铝。氧化膜的存在形式通常有两 种,一种是铝合金在大气中形成的天然氧化膜, 约 为4—5 nm,这层氧化膜结构疏松且耐蚀性较差;另 收稿日期:2012—09—11 本文就近年来国内外铝合金表面氧化膜去除 方法的研究现状进行了综述,并对今后的发展方向 做出了展望。 修回日期:2013—01-10 ・16‘ Nov.2013 Plating and Finishing Vo1.35 No.1 1 Serial No.248 1 物理法去除铝合金表面氧化膜 1.1打磨法 打磨是目前去除表面氧化膜应用很广泛的一 种物理方法,打磨法通常都会对铝合金表面产生划 痕等物理损伤,产生残余应力,也可能造成晶间腐 蚀,进而影响其物理化学性能。 打磨又分为手工打磨和机械打磨。手工打磨 成本低,简单方便,适用于机械打磨后尚未打磨的 局部抛光处理,但其缺点是效率低,打磨出的线条 一致性差;机械打磨效率高,适合大批量的产品,打 磨后产品表面的一致性好,线条无波浪,表面的平 整度、直线度好,缺点是成本高,缺乏一定的灵 活性 一 。 吴春山 采用机加法去除铝合金零件局部镀 层和氧化膜,收效显著,克服了传统化学去除方法 费用高、周期长的缺点。Mhaede等¨ 用球磨法 (BB)和喷丸法(SP)对铝合金进行了表面处理,认 为这些表面处理方法会对铝合金表面的粗糙度、微 硬度、残余应力及抗疲劳性能产生影响。Baklouti 等 也认为表面喷丸会对铝合金的疲劳寿命产生 显著影响。Watanabe等 在铝合金与钢的焊接时 采用旋转指针摩擦法将界面处的氧化膜去除,该法 类似于打磨法。其原理为用高速旋转的指针在界 面处进行旋转摩擦从而使氧化膜脱落。研究发现 这种方法将旋转针尖放入铁界面,在焊接时成功地 从界面处将氧化膜去除掉了。但是旋转具有明显 的方向性,当采用反向旋转时,剥离的氧化膜会沉 积在铝合金上,这也严重限制了其使用范围。 1.2超声波法 超声波法是在解决钎剂法钎料残余问题的基 础上发展起来的去除氧化膜的方法。该法通常利 用超声波的空化作用去除氧化膜,研究表明采用超 声波浴取得了理想去除氧化膜效果 1 。 赵如龙等 发现,超声波在液态介质中传播时 会在铝合金表面产生空化作用,利用空化泡被压缩 至崩溃时产生的巨大压力可以使表面氧化铝膜层 破碎。余克壮等¨ 也证实了超声波振动能有效地 去除铝合金表面的氧化膜。此外,xu等 研究发 现,利用超声波可以去除氧化铝增强铜铝合金基复 合材料的氧化膜。Imai等 在研究超声波焊接技 术中发现周期性的超声波振动能很好地去除铝合 金表面的氧化膜或有机涂层,并且在氧化膜或涂层 去除后能形成新的表面,该表面能很好地与其他合 金进行焊接。 超声波法适用于处理氧化膜结构相对疏松的 小铝合金构件,对于较大的铝合金制件上氧化膜的 清洗去除效率较低,不适合制件上较致密且厚的氧 化膜的清除处理。相对于打磨法而言,超声波法成 本较高。此外,超声波技术还存在局限性有待进一 步改进,如设备昂贵复杂、要求技术较高、启动初超 声波会对基材局部产生强烈冲击等。 1.3加热法 加热法相关的报道不多,虽然其操作简单,但 应用范围有限,主要是因为该法存在氧化膜去除不 完全,温度不容易掌控等缺点。由于铝合金和氧化 铝的线膨胀系数差别很大,分别为25.3×10 和 8.0×10~,在加热时会产生较大热应力,从而使氧 化铝从铝合金基体上剥落下来。根据计算,当加热 到380℃左右时,热应力可使铝合金表面局部的氧 化膜破裂。因此可以利用线膨胀系数差产生的热 应力去除铝合金表面局部的氧化膜层¨ 。赵伟华 等 的研究发现,铝合金阳极氧化膜经沸水封闭后 存在网络状非穿透性微裂纹,加热后裂纹在热应力 作用下拓宽并发展成穿透性裂纹,从而使氧化膜局 部开裂,从铝合金基体上剥落下来。 2化学方法去除铝合金表面氧化膜 2.1碱蚀法 常见的铝合金预处理的工艺流程为:打磨一除 油一水洗一碱蚀一水洗一酸洗(出光)一水洗 抛 光一水洗一吹干。可见碱蚀法通常只作为预处理 过程的一个工序。但是要将其完全去除并获得洁 净的铝合金表面,还需与打磨法和酸洗法结合。 好的碱蚀剂不仅能除去铝合金表面的氧化膜, 对基体也有一定的整平作用,通常碱蚀溶液为30~ 50 g/L的氢氧化钠溶液和碱蚀添加剂。碱蚀通常在 40~70℃的操作温度下处理3~5 min。碱蚀完毕 后,酸洗出光,以除去碱蚀的腐蚀产物,洗亮制件。 酸洗出光时,对于普通铝合金一般采用30%的硝 酸。但对于铝硅合金多采用 (氢氟酸): (硝酸) 为1:3的溶液酸洗出光 。Eom等 研究证明, 在弱碱水中可以去除A1.sn—Fe合金表面的氧化膜。 Chen_2 也证明碱可以去除铝合金表面的氧化膜。 加13年11月 电镀与精饰 第35卷第11期(总248期) ・17・ 2.2酸溶解法 由于AI O 属于两性氧化物,可用碱将其溶解, 也可通过酸溶解的方法去除。酸溶解法对氧化膜 的浸蚀程度不易掌控,易腐蚀基体,并且该法会产 生较大环境污染。 陈俊娟等 纠分别使用硫酸和过氧化氢的混合 溶液以及盐酸溶液溶解去除了氧化铝。孙焱等 研究表明,氧化铝在盐酸和硝酸混合液中的溶解率 仅为25.3%一60.9%’,把氢氟酸加入到上述混合液 中,氧化铝的溶解率可提高到97.7%,说明氢氟酸 能够有效地促进氧化铝的溶解。但氢氟酸有刺激 性气味,且有剧毒,实用性较差。Erdogan等 在分 析化学刻蚀工艺在两步法制备阳极氧化多孔膜过 程中的效果时,采用6.0%的磷酸和1.8%的铬酸混 合溶液在45~8O℃下进行刻蚀剥离,发现其完全没 有破坏铝合金基体的结构。该法受磷酸与铬酸比 例的影响,而且刻蚀的时间和温度对氧化膜的结构 有较大的影响。该方法不会破坏铝合金基体的结 构,故对寻找所需氧化膜去除方法有重要的参考价 值。Yuan等 在制备通孔铝的阳极氧化膜时,采 用两步法制得氧化膜之后用 (HC10 ): [(CH,CO):]为1:1的混合溶液作为电解液,以高 于阳极氧化时的电压5V进行3 s电解剥离,从而得 到通孔氧化膜,但是此法会在基体上残留一层阻挡 层,还需要化学溶液进行侵蚀。Wang等 在研究 化学机械抛光中,以磷酸和柠檬酸的混合液为pH 的缓冲溶液,以H O 为氧化剂,用A1:O 颗粒作为 研磨料分散于浆料中对铝合金表面进行抛光。研 究了处于钝化区和非钝化区的pH时合金薄膜的去 除效果,发现随着pH的减弱,铝的去除率存在一个 最佳的H:O 质量分数比,使去除率达到最大,在非 钝化区具有较高的去除效果。该研究为选择性提 高氧化膜去除率提供了可能的方法。 2.3钎剂溶解法 使用钎剂溶解通常用于去除铝合金表面自然 形成的致密氧化膜,钎剂通常应用在钎焊过程中。 其作用机理多为使氧化膜松动、破裂,进而溶解去 除氧化膜,作用过程为覆盖、去膜和界面活化。 起初采用的钎剂多为Nocolok钎剂,是用KF- A1F 的两个中间化合物K,A1F 一KA1F 间的共晶点 组成的熔盐 。Xue等 。 研发了KF—CsF.A1F 无腐蚀钎剂,在Nocolok钎剂的基础上,能有效地去 除铝合金表面的氧化膜。俞伟元等 开发了一种 低熔点、无腐蚀A1F 一KF-KBr钎剂,克服了Nocolok 钎剂和Nocolok改进钎剂的高熔点缺点,有效地去 除了铝合金表面的氧化膜。徐维普等 也开发出 了一种适合锌铝合金表面的氧化膜去除的无机软 Zn-NH C1一KF钎剂。 在使用钎剂溶解氧化膜的过程中都存在残余 物,对铝合金基材造成腐蚀。因此在去除过程后需 进行清洗和检验。这样延长了工艺周期、形成污染 物,在一定程度上加大了成本。此外该技术不适于 结构复杂的部件基体上氧化膜的去除,主要因为结 构复杂导致钎剂及残余物等不易清除。 2.4化学还原法 该方法通常是在初步去除铝表面氧化膜后,利 用活性元素将残余和新生成氧化铝彻底还原。可 以还原氧化铝的活化元素有锂、锶、镁、钕、铈、镧、 铍、钙及钐等,其中较为理想的是镁 。 另外,对于有固溶碳存在的铝合金材料,固溶 碳在晶界处扩散较快,因此可以利用固溶碳在真空 高温的条件下还原母材表面的氧化膜并使其挥发 去除。蔡怀福 实验发现,真空加热过程中A.286 铝合金表面氧化膜在1 230 oC已大部分通过此方法 去除。 3 电化学法去除铝合金表面氧化膜 3.1阴极剥离法 阴极剥离技术适用于一定厚度的氧化膜的剥 离去除。因其操作简单、成本低和重现性好,可获 得大面积的剥离膜,是一种较好的膜剥离方法,故 在制备铝的阳极氧化膜过程中得到广泛应用。但 是阴极剥离法所获得的膜层基本是多孔层,在一定 程度上限制了其使用范围。阴极剥离法就是在同 一阳极氧化槽中,将已生成氧化膜的铝材作为阴极 通以电流,利用生成的氢气泡的压力使氧化膜与铝 基体剥离的方法。为保证剥离效果与剥离质量,在 阴极剥离前还需对铝材进行电流回复处理。电流 回复一般在阳极氧化后进行,具体过程为:首先施 加比氧化时电压低2V的电压,开始时无电流通过, 经过一段时间后,电流慢慢恢复,最后达到一个稳 定值,随后又将电压降低2V,又出现上述现象。如 此反复操作,直到电压降到2~3V为止 。 Vo1.35 No.11 Serial No.248 安成强等 在对铝阳极氧化厚膜的制备工艺 研究以及姚素薇等 在铝阳极氧化法制备A1 O 纳米线过程中都成功地用阴极剥离法去掉了氧 化膜。 制品的尺寸及形状不发生明显改变的情况下,要达 到去除其表面阳极氧化膜的目的,显然不能采用单 一的物理和化学方法,传统的物理与化学结合法也 不能满足这个要求。而电化学法操作简单、成本 低、重现性好。因此,电化学法成为一种可能的研 究方向。电化学方法之阴极剥离法对于氧化膜的 高禄梅等 以HC10 .CH OH混合溶液为电解 液进行电脉冲剥离,利用阴极还原反应产生的气泡 压力将多孔氧化铝膜从铝基体上剥离下来。发现 剥离时间过长和电压偏大,会导致除阻挡层之外的 去除多有局限性,而直接还原法是否适合去除铝合 金表面氧化膜还有待进一步研究。将物理法、化学 法和电化学法中的某两种或者几种方法结合起来 也不失为一种可能的研究方向。 参考文献 [1]陈奇芳.铝合金在建筑结构工程中的应用[J].中国新 技术新产品,2010,(24):111—112. [2]武仲河,战中学,孙全喜,等.铝合金在汽车工业中的 模板受到破坏,因此需要控制电化学反应速度使模 板从阻挡层分离。在30V的电压脉冲下可以实现 完整剥离,但是底部阻挡层仍然存在,需要进行腐 蚀除去阻挡层,而40V和50V的剥离电压下可获得 通孔氧化铝模板,在将样品用超声清洗后发现电脉 冲过程不仅可以起到剥离模板的作用,同时起到了 去除阻挡层的作用。该方法剥离的样品比CuC1 溶 液浸泡法剥离的样品韧性好。 Tian等 通过在阳极氧化膜形成后立即改变 应用与发展前景[J].内蒙古科技与经济,2008,(9): 59—6O. [3] Ramachandran T R,Sharma P K,Balasubramanian K. Aluminium for automotive applications[J].Transactions of The Indian Institute of Metals,2004,57(4):409—425. 氧化电压极性的方法成功地将氧化膜剥离下来,并 且发现这种方法所得到的氧化膜面积大而且平均 孔径在10Bin以下。相比于磷酸和HgC1 混合溶液 刻蚀法,该法很好地保留了氧化膜的原始孔径。 Margadant等 在研究镓改性铝阳极氧化膜及 [4]李明志.铝合金电缆在住宅配电系统节能中的应用 [J].硅谷,2011,(19):154. [5] 张钰.铝合金在航天航空中的应用[J].铝加工,2009, (3):50—53. 剥离时发现,在铝中加入0.028%的镓,形成铝镓合 金,进行阳极氧化。当阳极氧化电压超过150V时 [6] Vasileseu M.Elaboration and Casting of some AI—Li Based Alloys used in Aerospace Industry[J].Metalurgia Inter— national,2009,14(8):19—22. 生成的氧化膜会剥落,并且在界面处产生很好空洞 的膜。通过这个发现可以将其用于铝合金在高压 下阳极氧化剥离原来的膜。 3.2直接还原法 [7]晏辉.石材打磨抛光技术介绍(一)[J].石材,2004, (5):19—23. [8] 晏辉.石材打磨抛光技术介绍(二)[J].石材,2004, (6):15—21. 在电化学方法中可以用阴极电流将金属氧化 物还原为金属单质。但是目前还未发现有文献报 道利用该原理去除铝合金表面氧化膜,不过工业上 已有较成熟将氧化铝还原为铝的电化学技术,如霍 尔埃鲁法 、低温熔盐铝电解法等[43]。应用电化 学方法直接还原氧化铝的过程易于控制,反应进行 [9]吴春山.用机加工法去除镀层和氧化膜[J].林业机 械,1993,(2):41—42. [10] Mhaede M.Influence of surface treatments on surface layer properties,fatigue and corrosion fatiue pergform— ance of AA7075 173[J].materials&design,2012, 41:61—66. 程度方便检测。直接还原法是否可以用于去除铝 合金表面氧化膜还有待于进一步研究。 [11]BakloutiM,MnifR,ElleuchR.Impact of surface hard— ening treatment generated by shot peening on the fatigue life of brass alloy[J].journal of mechanical science and 4展望 technology,2012,26(9):2711—2717. [12]Watanabe T,Takayama H,Yanagisawa A.Joining of alu- 本文综述了去除铝合金表面氧化膜的物理、化 学和电化学方法,目前比较成熟且市场上应用广泛 minum alloy to steel by friction stir welding[J].Journal of Materials Processing Technology,2006,178(1—3): 342—349. 的是物理法与化学法相结合。但是在保证铝合金 2013年11月 电镀与精饰 第35卷第11期(总248期) ・19・ [13] 苏光,杜伟.超声波及钎料成分对氧化铝一铜钎焊效果 的影响[J].热加工工艺,2011,40(7):154—158. 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