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如何处理保护和装饰铝的表面?

更新时间:2015-10-15      点击次数:1522

如何处理保护和装饰铝的表面?

轻金属结构材料Mg,Al,Ti中,铝的密度(单位体积的质量)和比强度(强度与密度之比),均处于中间的位置。但是铝却是有色金属中应用范围zui广阔,经济效应zui高,而且表面处理技术又zui成熟和有效的金属材料。
尽管铝合金的耐腐蚀性远胜于钢铁,但是通常铝总是经过表面处理手段,形成一层表面处理膜层,赋予铝更好的保护性,装饰性,及其他需要的功能后才使用的。阳极氧化处理是zui常用的一种工艺手段,技术成熟,工艺流畅,成本不高,效果明显。
1铝的表面处理及其膜层
铝的表面处理方法很多,请见表3。各种表面处理膜层的性能各具特点,根据使用环境和运转条件,选择使用。

各类铝表面处理膜层的特点
2.1 阳极氧化膜
阳极氧化处理是铝合金材料经常采用的表面处理手段。保护和装饰用铝阳极氧化膜一般是10μm以上的多孔型阳极氧化膜,其孔隙率一般为11~13%,其结构由多孔层和阻挡层两部分组成,属非晶态氧化膜。阻挡层是紧靠铝基体的极薄而致密的膜层,多孔层是以阻挡层为基底而生长的,多孔层的厚度取决于阳极氧化通过的电量。阳极氧化膜可以通过有机染色或无机着色,也可以通过电解着色得到各种色彩。为了稳定和延长阳极氧化膜的保护性,必须进行封孔,包括各具性能特点的高温封孔(沸水或高温蒸汽)、中温封孔和常温封孔等,我国高温封孔目前很少。阳极氧化膜是在铝表面共格生长的一层氧化膜,附着性*,可以有效保护铝基体不受腐蚀,氧化膜的硬度明显高于铝,普通阳极氧化膜的显微硬度为~300Hv,硬质阳极氧化膜可达~500Hv。其膜厚,着色工艺和封孔工艺根据环境条件的要求选用。
2.2 微弧氧化膜
微弧氧化又称等离子体微弧氧化,等离子体陶瓷化或电火花放电沉积技术,顾名思议是在高外加电压下,使原来的非晶态的氧化膜在微弧作用下发生相和结构的转变,生成结晶态的α-Al2O3和γ-Al2O3。微弧氧化膜特点是低孔隙率(低于4%),高硬度(高于Hv1000)和高耐磨性。但是不能象普通阳极氧化膜那样着色,而且能耗很高,除非特殊需要通常不会采用微弧氧化。前苏联规定出海舰船的铝合金部件需要进行微弧氧化处理。为了降低电能消耗,发展了无火化微弧氧化,新西兰开发的镁合金的Anomag技术就是一例。通常微弧氧化膜表面有一定厚度的疏松层,使用之前应该除去。
2.3 阳极氧化复合膜(简称复合膜)
复合膜包括阳极氧化膜和电泳涂漆膜两层,通常兼具阳极氧化膜和有机聚合物膜(一般采用丙烯酸树脂)的双重优点。其硬度高、耐磨性好、耐腐蚀性强,漆膜附着性好,不仅具备表面有机化合物膜优异的耐腐蚀性,而且具有十分优异的耐膜下丝状腐蚀性能,建筑铝合金门窗已经广泛应用复合膜。其工艺特点不仅可以相当控制电泳漆膜的厚度,而且漆膜厚度(一般为10μm以上)的分布非常均匀,可以均匀覆盖在铝合金阳极氧化膜上的所有位置。
2.4 有机聚合物喷涂膜(含辊涂膜)
建筑和装饰用铝及铝合金有机聚合物喷涂膜主要有粉末喷涂膜(常采用环氧树脂或聚酯树脂)、氟碳漆喷涂膜等,其色彩丰富而且工艺简单。为了保证有机聚合物膜对于基体铝合金的附着性和提高膜层下的耐腐蚀性,一般在喷涂处理前需要对铝及铝合金制品进行铬酸盐化学转化处理,化学转化膜很薄(有时也采用阳极氧化膜做底层),而表面的有机聚合物膜比较厚(一般高于60μm)。鉴于六价铬离子对于环境的巨大危害,因而逐渐在减少其工业应用。无铬化学转化处理包括锆钛系处理、有机硅烷等,但是目前的无铬化学转化处理的工艺性能和膜层性能均不如铬酸盐处理。有机聚合物喷涂或辊涂膜应关注其膜下的丝状腐蚀问题。
2.5金属镀层
电镀是一项比较传统的表面处理工艺,化学镀也有相当长的工业化生产历程。铝合金的金属镀层,如镀Ni,镀Cr都比较成功用于工业实践。但是铝合金上金属镀层远比钢或铜商困难,应关注镀层的附着性(结合力)。
3选择铝合金表面膜层的考虑因素
从不同表面处理膜层的特点出发,按照使用环境类型和使用条件的化学因素和机械因素, 考虑在使用环境中的膜层的性能下降,不致使产品腐蚀和影响产品的外观,为此在选择膜层类型之前,应先确定使用区域的环境类型,我国GB/T 15957-1995《大气环境腐蚀性分类》将大气类型分为工业大气、城市大气、海洋大气和乡村大气四大类,并按湿度分为潮湿型环境、普通型环境和干燥型环境。也就是说,应该考虑环境的温度,湿度,辐照,污染,以及冷热交替和干湿交替等状况,还要注意使用中的液体冲刷,固体颗粒的冲击等因素,对于使用状态和条件作出全面判断。在选择有机聚合物膜时,还应该特别考虑大气的紫外线辐照强度的影响。
3.1 环境类型
不同环境类型所选择的膜层类型可能不同,在国内外相关标准中对环境类型有多种分类方法,ISO 9223:2012《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性 分类》以腐蚀性程度高低划分为6类,详见表3所示室外环境和室内环境的分类。

3.2 不同环境类型的膜层选择
ISO 16688-x Guideline for the selection of coating types,tests and methods of assessing the performance of coated aluminium
GB x-x 建筑和装饰用铝及铝合金阳极氧化膜和有机聚合物膜层,性能及检测方法选择指南
阳极氧化膜、复合膜、粉末喷涂膜、氟碳漆喷涂膜和丙烯酸漆喷涂膜都具有一定的保护和装饰功能,适用于铝合金建筑结构部件和车辆部件等使用,但由于不同膜层的性能有一定差异,因此应根据不同的使用环境条件选择相适用的膜层。其中,紫外光辐射是一个重要的影响因素,在选择膜层时应加以考虑。对于银白色阳极氧化膜来说,紫外光辐射对其无明显影响,而对于染色阳极氧化膜和其他有机聚合物涂层,紫外光辐射有不同程度的影响,在紫外光辐射强烈的区域,建议选择银白阳极氧化膜、高耐候等级的复合膜、高耐候等级的粉末喷涂膜和氟碳漆喷涂膜。
除了膜层类型选择外,还要根据不同环境考虑膜层厚度,工艺程序(如阳极氧化膜的着色和封孔等),有机涂层的树脂品质等。现概况铝合金主要膜层,即阳极氧化膜,复合膜和喷涂膜在工业城市大气,海洋大气中或乡村大气中的选择说明。
3.2.1工业和城市环境
(1)阳极氧化膜
阳极氧化膜表面由于空气中酸性物质而容易出现性能衰退现象,污染严重的工业区域损害尤其突出,高温和干湿交替的大气环境也会加速其性能衰退。因此,工业和城市污染严重且温差较大的潮湿环境应选择高膜厚级别的阳极氧化膜,对于工业和城市污染严重且温差较大的干燥环境宜选择高膜厚级别的热封孔阳极氧化膜。
(2)复合膜
复合膜由于铝阳极氧化膜的存在,金属基体不易受到机械损伤,且不容易产生膜下丝状腐蚀。其表面也是有机聚合物膜,只是喷涂常采用聚酯树脂,而电泳漆膜是丙烯酸树脂。工业和城市污染严重的环境宜选择高质量等级的阳极氧化复合膜。
(3)喷涂膜(含辊涂膜)
喷涂膜由于空气中酸性物质的存在而容易出现性能衰退现象,污染严重的工业区域损害更为突出。长时间处于湿热的环境下会加速水和有害离子对有机膜的渗透。机械损伤也会加速膜层在工业和城市环境中的侵蚀,而且应该关注膜下的丝状腐蚀。因此,工业和城市污染较为严重的潮湿热带环境,宜选择高质量等级喷涂膜,如高耐候性粉末喷涂膜或氟碳漆喷涂膜。
3.2.2 海洋环境
(1)阳极氧化膜
在没有酸性污染的环境条件下,阳极氧化膜具有良好的耐盐水盐雾性能。如果酸性环境条件导致氧化膜局部溶解,那末氯离子会加速铝基材的侵蚀。温差大的海洋环境地区宜选择高膜厚级别的阳极氧化膜。
(2)复合膜
综上所述复合膜不易受到伤及金属基体的机械损伤,也不容易产生膜下丝状腐蚀,而且有表面有机聚合物的保护,明显提高海洋环境的耐腐蚀性。为此复合膜适用于海洋环境。
(3)喷涂膜
海洋环境中存在着氯离子,氯离子逐渐渗透到铝基体表面导致膜层性能衰退。长时间处于湿热环境,并存在其他离子会提高膜层的渗透性,机械损伤更会加速氯离子对基材的侵蚀。因此,潮湿的热带海洋环境宜选择高质量等级喷涂膜,如高耐候性粉末膜喷涂膜或氟碳漆喷涂膜。
3.2.3乡村环境
乡村环境大气环境条件好,不存在海洋环境中的氯离子侵蚀以及工业和城市环境污染的影响,因此各类膜层都可选用。但是对于温差大且干燥的乡村环境,不推荐高膜厚等级的中温或常温封孔的阳极氧化膜,对于紫外辐射强的乡村环境宜选用银白阳极氧化膜、电解着色阳极氧化膜、高耐候复合膜、高耐候粉末喷涂膜或氟碳漆喷涂膜,不建议选用染色阳极氧化膜和普通有机聚合物膜。

4铝合金表面处理膜层的性能和监测方法
铝合金表面处理膜层的性能检测方法,已经有明确,专业,完整的标准和中国标准可循,而且还有行业内部或企业内部的检测标准,如美国建筑制造商协会AAMA标准,福特汽车企业的监测方法等。由于检测内容具体繁杂,本报告简单先容铝表面处理的产品和性能检测的标准(见附录),详情请参阅本人的专著:“铝合金表面处理膜层性能及测试。

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