铝合金从业人员基础培训资料

一、铝的概念
铝是有色金属中使用量最大，使用面最广的金属材料。我国是第一大产铝国，第二大铝消费国。年消费是由1991年的86万吨至2000年得53万吨至01年的370万吨至今以每年10%的左右的增长率增加。
铝及合金有以下特点：密度低、延展性好、导电性好、环保、耐蚀、易表面处理
1.1、铝的化学特性 
铝原子外围为3个不稳定电子，电极电位很负，是唯一的两性金属，既可和酸反应显碱性，又可和碱反应呈酸性：
1)2Al+6HCl→3H2+2AlCl3
2) Al+2NaOH→NaAlO2+H2O
(1) AL在碱性溶液中的腐蚀

（2）AL在酸溶液中的腐蚀

(3)  Al在中性盐溶液中的腐蚀
卤素离子如F-、cl-等易穿透表面氧化膜形成点蚀
如存在电极电位较正的金属离子时如Fe2+、Cu2+、Ni2+等也会加速点蚀，电位差越大、点蚀越严重。如专对阳极氧化膜盐雾腐蚀的CASS试验，既是乙酸铜利用铜离子加速腐蚀作用进行快速测试
1.2、铝合金
铝合金分类：  
（1）1xxx是纯铝。含铝量不小于99.00%，最后两位数表示最低铝百分含量中小数点后的两位常见有1052、1060等
 (2) 2xxx系合金。是Al-Cu系可热处理强化合金，主要含Cu、Mg、Mn、Cr等
     铜含量2~10%，其中含4%~6%Cu时强度最高。2xxx系合金具有很好的冲压性、焊接性和耐蚀性

(3)3xxx系合金。为Al-Mn系合金，成形、可焊性、耐蚀性好
(4)4xxx系合金。AL-Si系，硅含量4%-10%，强度硬度高，适合做活塞或高温工作零件
(5)5xxx系合金。为Al-Mg系，热处理不可强化合金，Mg含量不超过5.5%，可添加Mn、Cr、Ti、等作板、薄板、管、线、棒及异形物。
(6)6xxx系合金。是Al-Mg-Si系铝合金。其中6063常做挤压的建筑铝合金型材，也用于车辆、家具、支架等；6061强度较高，耐蚀性好，一般做工业结构件；6463阳极氧化后可保持光亮外观，建筑、汽车及各种器具的装饰件，常见还有6005、6003
(7)7xxx系合金。为Al-Zn、Al-Zn-Mg等高强合金，常用于航天。

1.3、铝合金表面处理技术及阳极氧化简介
        为克服铝合金表面的性能缺点，扩大应用范围，延长使用寿命，通常需要对表面进行相应的处理以增高强度、耐磨性、电绝缘、耐腐蚀性等，亦可以用铝氧化膜的多孔性引入新的特殊功能，如装饰及光电性，电磁性。
        铝合金表面处理技术有：表面机械预处理（如抛光、、发线、扫纹等）、化学预处理或化学处理（化学转化膜或化学镀等）、电化学处理（阳极氧化或电镀等）、物理处理（喷涂、塘瓷珐琅化或其他物理表面改性技术等）。
         阳极氧化是目前铝表面处理中应用最广与最成功的技术，目前通用分类为普通阳极氧化，硬质阳极氧化和微弧氧化。

1.3.1、铝阳极氧化膜的特性
    （1） 耐蚀性。膜厚及封孔质量直接影响使用性能。
    （2） 硬度和耐磨性。基体硬度为HV100，普通阳极氧化膜可达HV300，而硬质膜则可达HV500，硬度和耐磨性是一致的。
    （3） 装饰性。既保持金属的光泽和质感，又可以染色成丰富多彩的彩色。
    （4） 有机涂层和电镀层附着性。可有效提高表面层的附着力和耐蚀性。
    （5） 电绝缘性。铝是良导电体，而氧化膜则是高电阻的绝缘膜。绝缘击穿电压可达30~200V/um，室温体积电阻率为：109?/cm3，250℃时可达1013?/cm3
    （6） 透明性。铝纯度越高，氧化膜透明度越高。
　 （7）功能性。利用氧化膜的多孔性，可在微孔中沉积功能性微粒，得到功能性材料。

1.3.2、铝合金阳极工艺路线
      1、建筑铝型材：     
                                                   封孔
脱脂 碱洗 出光 阳极氧化   电解着色   电泳            固化成膜
                                                   静电喷涂      固化成膜
              脱脂    酸洗      化学转化   封孔
      2、工业用铝合金部件：
                                                草酸法         
脱脂     碱洗       出光    阳极氧化  硫酸法（染色）   封孔
                                                硬质阳极氧化法

 3、装饰用铝合金部件，（如汽车装饰部件、手机、MP3、照相机不见等）
机械处理（如抛光、法线、喷沙     

1、3、2铝合金的化学转化膜
化学氧化指铝在不通电的条件下，适当的温度范围下，浸入处理溶液中〈或刷涂、喷淋〉发生化学反应，在金属表面生成与基体有一定结合力的，不溶性的氧化膜的工艺。
铝天然氧化膜厚度为0.005~0.015um,厚度太薄容易磨伤,擦伤。耐蚀性差,化学氧化膜厚度通常为0.5~4um,耐磨性低,受到严重磨擦和浸蚀时会迅速破坏,因此常作涂装底层,因其导电,也可用于电镀涂装底层.其特点对铝工件疲劳性影响小,操作方便,能耗低，可处理复杂零件.
常用的化学转化法有水氧化法、铬酸盐法、磷酸—铬酸盐法等
常用配方(铬酸盐法):
铬酸酐(CrO3)            3.5~6g/L      PH           1.5
铬酸钠(Na2CrO4 )      3~3.5g/L    温度         25~30°C
氟化钠(NaF)               0.8g/L       时间         3min
二.铝合金阳极氧化及前后处理
我们公司铝合金表面阳极氧化处理及前后加械处理工艺流程如下:
2.1抛光
铝材抛光可分粗抛和精抛,一般粗抛作为克服缺陷和初步光亮使用、大多使用麻布轮或棉轮等.
2.1.2抛光操作要求
①根据工件材料的软硬程度、表面状况和质量要求等因素选择合适的抛光轮和抛光膏
②抛光应分多步操作，不能一次切屑量太大或压力太大、时间过长等以免烧焦工件
③磨轮的转速应控制在一定的范围内.过高时抛光轮消耗快,使用寿命短,过低则影响工作效率,一般铝制品抛光选择10~14m/s
铝制品抛光轮径与转速对照表
轮径 200 250 300 350 400
允许转速 1900 1530 1260 1090 960

2.1.21常见问题及解决办法
①抛光中最常见为工作表面留下暗斑纹,通常称为”烧焦印”也有人称”水印”
造成此种不良主要是抛光压力太大或接触时间太长,不良品可用稀碱轻微浸蚀或温和酸（如10%H2SO4)浸蚀后重新抛光
②过抛
此种不良大多为操作不熟练造成转角或突起部位过度抛损
③成品碱蚀或出光后表面发雾或有乳白色的斑纹，此不良同①所列

2。2 喷砂：
2。2。1、喷砂的目的及原理
喷砂的目的是用来克服和掩盖铝合金在机械加工过程中产生的一些缺陷以及满足客户对产品外观的一些特殊要求。
喷砂的原理是利用压缩空气的高速射出带动砂材击打到产品表面以达到需要的效果。
2。2。2、砂材、喷枪
2。2。2.1常用的砂材有玻璃砂、金刚砂、钢珠、碳化硅等。选择砂材的原则：
a、砂材硬度需大于待喷砂工件硬度。
b、砂材需与工件要求的砂面效果相配套选用。
c、选择砂材时需考虑生产安排便利、工件尺寸的要求等影响因素。
2。2。2.2  砂材的型号
砂材的型号通常以砂材的粒径作参数，常用有100＃、120＃、150＃、180＃等，标号越高，砂材的粒径越小，对应的标号即为砂材的目数。
2。2。2.3  喷枪
喷枪要求耐磨，内径光滑。常用有合金刚，硬度较好的如BN3.
2。2。3   喷砂常见的缺陷及对应措施

2。3 拉丝
拉丝是运用砂带、砂轮等在工件表面通过对基体的磨削形成所需的装饰纹的工序。其原理和作业注意事项基本与抛光类的。主要应注意的是：
（1）、砂带或尼龙轮等的适用性：要求砂带附着性好、耐用、纹理规则、易排屑，而尼龙轮或钢丝轮要求韧性好、回弹性强、耐磨。
（2）、合理调整轮带运转速度及工件与轮带的接触时间，以免烧焦工件造成暗斑、水印等不良。
（3）、轮带运转需稳定，以免造成错纹，乱纹等不良。
  (4)、熟练作业方法，合理掌握压着力度，以免过度损伤工件。
2。4  清洗
清洗的目的是通过化学溶剂，或酸碱浸蚀等去除工件表面的油污，轻微刮擦痕迹等。以为下工序提供合格的中间品。典型的清洗方式如下：
1、脱脂除油：利用表面活性剂溶液或有机溶剂等通过对产品的浸渍或渍淋的方式除去表面的油污等，注意对于铝材应选用中性的表面活性剂。常用的表面活性剂：多聚磷酸钠，硅酸钠等的复配产品。有机溶剂：三氯乙烯，白电油等。
2、酸洗：常用方式为H3PO4+H2SO4的二酸体系，必要时为防止过腐蚀或点蚀可适量添加HNO3进行抑制。
3、碱洗：常用10～20％NaoH溶液加温腐蚀，对于尺寸要求较严格的工件应掌握好时间，以免过腐蚀，此外对槽液要监控AL3+含量，过高或过低均会加速过腐蚀的形成，通常为5～10g/l。碱蚀完毕后应用稀HNO3溶液中和残存碱液再以多次水洗的方式干净其表面。

2.5 阳极氧化工艺及原理
 2.5.1 阳极氧化的原理
   将铝及铝合金置于适当的电解液中作为阳极进行通电处理，此处理过程称为阳极氧化。阳极氧化可使铝合金表面生成几个到几百微米的氧化膜，而且采用不同的电解液和工艺条件可以得到不同性质的氧化膜。

常见的有：
a、H2SO4 、( CH2COOH )2、CrO3的普通阳极氧化。比较起来因为H2SO4的阳极氧化膜无色透明，所以较为常用，而其它两种酸的氧化膜因为略显黄色而不常作为着色膜。
b、硬质阳极氧化，通过低温和特殊溶液使氧化膜的膜致密、耐磨，因常呈现为瓷质或釉质，又称瓷质阳极氧化。主要特点是低温氧化、成膜速度慢、能耗大，但膜层耐磨。
c、微弧氧化，通过高压放电产生电弧，在铝表面强制生成氧化膜。
以下重点介绍H2SO4阳极氧化的原理：
a、阳极氧化产生的化学反应：
2Al+3H2O→ Al2O3+6H++6e   阳极反应
6H2O+6e→ 3H2↑+6OH-      阴极反应
     阳极同时发生反应：4OH--4e→ O2+2H2O
                        以及：AL2O3+6H+→2Al3++3H2O
     整个氧化过程是一个膜的生成与溶解此消彼长的平衡过程。
b、氧化膜的生成过程
在铝合金通电的瞬时，由于外加电压的作应，合金表面生成一层致密无孔非晶态氧化物,我们称为阻挡层，一般厚度10~100um,厚度与初始电压成正比。此后随表面电阻的增加，电流下降逐渐平稳后，阻挡层表面因电场的分布不均产生“电场抑制”作用而逐渐形成凹坑或微孔。

 第二阶段在电场的作用下阻挡层经慢慢的局部溶解，这时Al3+离子在电压作用下穿过阻挡层向孔底移动，也可以看作孔底氧化膜不断溶解使得微孔向纵深发展。此时阻挡层厚度不变，多孔层厚度不断增长。同时O2-离子在孔底向氧化膜/铝界面反向移动，并与界面上的Al3+生成新的氧化物。
整个过程中孔底的Al3+由于浓度差的原因不断向外扩散也是微孔可以不断加深的主要动力。
膜层的增长在Al2O3溶解速度与Al2O3生成速度平衡时达到动态平衡。

2.5.2、阳极氧化膜的组成及形貌。（略）

2.5.3、硫酸阳极氧化的工艺

1、硫酸阳极氧化的工艺配方及作业条件：
工艺参数  一般使用条件  最佳使用条件  20~50min
游离硫酸g/l 150~200  160~180  150~160
铝离子g/l  5~20  1~5  5~15
温度℃  15~23  19~21  17~19
电流密度A/dm2  1.0~1.4  1.3~1.4  1.5~1.6
时 间  视膜厚，粗略为1um/2min  25~30min  55~65min

2、阳极氧化工艺参数的影响

 2、阳极氧化工艺参数的影响
      1）H2SO4浓度。改变H2SO4浓度对氧化膜的阻挡层厚度，溶 液的导电性、氧化膜的耐蚀性和耐磨性以及后处理的封孔质量都将产生一定的影响。
H2SO4浓度  阻挡层厚度  维持电压  耐蚀、耐磨性  气化膜质量
    膜层发灰，疏松，膜孔外层孔径大，封孔困难

2）槽液温度
         阳极氧化过程中，部分电能会转化为热能，槽液温度会不断上升，而随着温度的上升，膜层损失会增加而且成膜质量变差，膜耐磨性下降，尤其对15um以上膜层，甚至在空气中就会出现“粉化”现象，因此过程中需要对槽液降温，以维持适宜的温度。

 一般来说：
槽温在一定范围内提高，获得氧化膜重量减小，膜变软但较光亮。
槽液温度高，生成的氧化膜外层膜孔径和度变大，造成封孔困难，也易产生封孔“粉霜”。
槽温较高时，氧化膜易染色。但对于保持颜色深浅一致时较难，所以一般染色膜的氧化温度为20~25℃
降低温度，得到的氧化膜硬度高，耐磨性好，在氧化过程中维持电流密度所需电压较高，能耗大，所以一般普通氧化选择18~22℃

3）氧化电压
   阳极氧化电压决定氧化膜的孔径大小，低压生成的膜孔径小，孔数多，而高压生成的膜孔径大，孔数小，一定范围内高压有利于生成致密，均匀的膜。

4）电流密度
   电流密度大，成膜快，生产效率高，但过高则易烧伤工件。一般电流密度控制在1.2~1.8A/dm2范围内
电流密度低，生产效率低，但处理面光亮（约1A/dm2）
电流密度高，成膜快，但易产生软膜，甚至烧伤
如果冷冻能力足够，搅拌良好，则采用较大电流氧化，有利于提  高膜的耐磨性。

5）搅拌
   足够的搅拌可保持槽液温度的均匀和恒定，对于控制膜厚，膜层质量，着色均匀性均有好处。
6）铝离子和其它杂质的影响
铝离子。Al3+离子含量升高会使电流密度下降。铝含量较高会使染色困难，而一定的铝含量对氧化膜厚度，耐蚀性，耐磨性有很大好处。一般来说铝含量1~10g/L会产生有利影响，超过10g/L造成不利影响。我国大多厂家选择控制为12~18g/L
其他阳离子杂质
铁含量超过25~50mg/g时会导致光亮度下降，膜层松软等。
铜、镍总量超过100mg/g时，将使氧化膜原有的耐蚀性降低，易产生盐雾试验不合格。