铝合金表面处理研究

铝合金表面处理研究学号：20091829姓名：刘哲专业班级：材科09-4班2012年07月04日铝合金表面处理研究摘要：主要介绍了铝合金表面处理的一种方法-电镀，并对一些预处理进行分析与研究，知道了电镀过程中的一些参数的最佳数值。

关键字：表面处理、电镀、预处理前言金属表面复合涂层技术是指利用表面涂层工艺方法，如电镀、化学镀、真空熔覆、热喷涂、气相沉积、阳极氧化、热化学反应法、溶胶-凝胶法、离子注入以及涂装等技术，在金属表面形成一层或数层具有复合材料结构和性质，并与金属表面结合良好的薄膜[1]。

近年来，进行涂覆的基体金属及合金主要有：碳钢、合金钢、铸铁、铝合金、铜合金、镁合金及钛合金等。

金属表面复合涂层可广泛应用于石油、化工、能源、机械、冶金、电子信息、航空航天及军事装备等领域，正向着多功能性和应用性的方向发展。

因此，金属表面复合层作为新材料研究的一个重要方向，具有广阔的应用前景。

铝在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。

铝的产量在金属中仅次于钢铁的。

至19 世纪末，铝才崭露头角，成为在工程应用中具有竞争力的金属。

铝合金的加工性能好，表面经抛光后具有良好的光反应能力。

因此，在飞机、汽车、电器、仪表、日用品等领域，铝合金获得广泛的应用［2］。

然而铝合金也存在缺点，主要是耐腐蚀性差，并且还有产生晶间腐蚀的倾向，这是一种最危险的腐蚀破坏。

通过表面处理的途径，即氧化或电镀可以提高铝合金的耐蚀性，从而提高其使用性能[3 ],对铝和铝合金表面制备复合涂层意义深远[4]。

国外在铝合金表面复合涂层研究方面投入了大量人力、物力，近年来相继出现了多种复合涂层。

如美国为航空、航天应用的铝合金件开发了“TUFRAM”涂层，它是由一般阳极氧化膜层再渗入有机聚合物而成，表面性能优异，在民用产品方面也得到了推广[5]。

我国在铝合金表面复合涂层研究方面也非常活跃。

Li 等[6]应用化学复合镀在铝合金表面制备出了含70vol%SiC 颗粒的Ni-P-SiC 复合涂层。

蒋驰等[7]在铝材基体上，综合应用等离子喷涂和电弧喷涂等热喷涂方法，喷涂钽、镝、铅等材料，制备具有辐射屏蔽效应的多层复合涂层，涂层与基体之间结合紧密，组织均匀致密，孔隙率低，满足了辐射屏蔽要求。

黄开金等[8]采用激光熔覆在AA7075 铝合金表面熔覆了Zr-Cu-Ni-Al-TiC 复合粉末，制备出Zr 基复合涂层，熔覆层表现出优异的耐磨性，尤其是随着熔覆层中TiC 含量的增加，耐磨性得到显著的提高。

一.铝合金电镀预处理复合电镀是在电解质溶液中加入一种或数种不溶性固体颗粒，在金属离子被还原、形成镀层的同时，不溶性固体颗粒均匀弥散地分布于金属镀层中，形成复合镀层。

采用电镀法可以制备多种复合镀层，主要有耐磨、自润滑、弥散强化、耐蚀性等复合镀层以及提高有机涂层结合强度的中间复合镀层。

复合电镀具有以下特点：工艺简单、镀层多样化和分散相颗粒品种多[1]。

1.1挂具对于铝合金电镀来讲，挂具是先决条件，特别是大件，必须要保证足够大的接触面积，以保证导电良好，不要用镀过铜的挂具，因为铜触点与铝件发生铜置换而产生触点起泡。

1.2碱蚀在保障去油、去蜡清洗干净的前提下，碱蚀的浓度、温度、时间控制至关重要，由于铝在氢氧化钠中优先溶解，易发生过度腐蚀和碱蚀不匀现象。

1.3酸蚀(除垢)由于铝合金是由铜、铁、镁、硅等成分组成，通常不与碱液发生反应，所以必须通过酸蚀（除垢）工艺除掉这些氧化物，使表面裸露出洁净金属基体。

酸蚀（除垢）液一定要控制温度、浓度和时间这三个要素，特别温度，这是夏季铝合金易起泡的罪魁祸首，在夏天一定要有冷冻降温设备。

对于含镁较高的铝合金在除垢之前必须用以下工艺，才能获得结合力良好的镀层。

以下浸蚀工艺为：硫酸15% ( 体积百分浓度) ，时间2~5 m i n，温度80℃。

以下除垢工艺为：硝酸50% ，温度15~25℃，时间1~2 mi n，再沉鋅。

1.4铝合金件必须浸镀过渡金属层如浸锌、锡、镍金属，才能获得结合力良好的镀层，目前大多应用于大量生产的以沉锌为多，以二次沉锌工艺占主导，这是因为通常预浸锌得到的锌层粗糙多孔，结合力不好，为了进一步提高基体与镀层的结合力，常采用再次浸锌，这样得到的锌层比较平滑致密［9］。

沉锌一般由市售、自配各占半壁江山，自配的以传统锌酸络合盐为基础，再加入铁、镍、铜与有机络合剂，即成了四元合金沉锌液，自配成本相应较低些，沉锌液的维护与管理需要注意以下几点：（1）沉锌液温度：沉锌最好维持在15~25 ℃之间，过高由于锌等金属置换过快，得到灰黑疏松、粗糙，甚至海绵状的置换层，这种锌置换层结合力很差。

而温度较低时，沉锌液反应比较温和，锌等合金析出量少，锌等合金置换层均匀致密，耐蚀性能和基体的结合力大有提高，所以很多厂家总抱怨夏天铝件总是起泡，其实铝合金电镀，夏天冷冻机是不可缺少的设备。

（2）沉锌时间：沉锌时间与沉锌液温度、浓度成反比（特别是金属离子的浓度），在沉锌液温度15~25℃，浓度20波美度时，沉锌时间第一次1 min左右，第二次30 s，过长会变得粗糙多孔，致密性、均匀性降低，影响后续工序。

（3）严格控制好沉锌的浓度，特别是碱与锌的综合比，一般N aO H 与Zn最佳比值为( 10~12) ∶1。

当碱与锌比值过高时，置换出的锌合金结晶细致，但在铝合金表面沉积速度缓慢，对铝表面溶解速度加快，电镀后易产生麻点；当N aO H 对Zn比值过低时，在沉锌液中浸3~5 s，就会置换灰黑色的锌合金，这种置换层粗糙多孔，致密性差，电镀中途就会发现起泡，一般小型电镀厂沉锌液是市售的，没有分析条件，浓度完全靠波美计测定，据本人经验得出，低于15波美度，有的会出现起泡现象，高于25波美度，应缩减沉锌时间，当然应考虑沉锌液老化程度，比如，铝在沉锌液中会有溶解，随其铝溶解量的增加，溶液波美度也随之上升，所以会产生误差，如果带出量很少的话，应及时更换部分老液，适当补充新液。

1.5预镀层（1）铝合金电镀必须要求有一层结晶细致，厚度均匀，无孔隙的过渡镀层，避免在电镀酸铜被腐蚀而起泡。

2009年3月宁波市电镀行业协会专家工作委员会开会推广H ED P无氰镀铜工艺，取代了铝合金通常用昂贵的预镀镍工艺，这是铝合金电镀的一次革命，值得推广。

（2）预镀镍由于目前铝合金普遍采用瓦特镀镍液为基础的预镀镍工艺，作为过渡层，所以一向被人们所接受。

但其最大的缺点就是：镀液易被铝、锌、铁等金属杂质所污染，经常需要电解或化学方法予以净化，才能保证预镀层的质量。

中性镍：由于中性镍pH 值近中性，对工件腐蚀很小，即使少量Zn溶解，因柠檬酸钠会隐蔽Zn ，不影响镀层。

参考配方：硫酸镍140 g/ L、氯化镍30 g/ L、柠檬酸钠140 g/ L、硫酸铵35 g/ L、葡萄糖酸钠30 g/ L、湿润剂2 m l / L、pH 值6. 8~7. 2、温度50~60 ℃、电流密度2~3 A/ dm2。

本人认为先镀中性镍作为预镀层，再用瓦特镍镀镍加厚，这样不但可以缩短预镀时间，减少金属杂质污染，并且可使预镀层更细致，紧密无孔隙，以保证铝合金表面结合力耐蚀性进一步提高，特别适用于汽车等高防腐耐用消费品。

二.电镀参数对电镀质量的影响铝合金的主要缺点是耐腐蚀性差，其合金容易产生一种潜在危险的腐蚀破坏———晶间腐蚀[10]。

根据实验及计算结果可得出不同搅拌速度下的镀速。

得知，搅拌速度对镀速影响很大，随搅拌速度的增大，镀速有很大提高；但搅拌速度不能过大，否则镀速有下降的趋势。

搅拌速度低于300r/min时，镀速随搅拌速度的增大而增加，高于300r/min时，镀速随搅拌速度的增大而降低。

铝合金试样施镀后，在不同搅拌速度下试样的镀层是很多细的颗粒，结果表明，当搅拌速度为300r/min 时，镀层表面颗粒最小，最均匀，颗粒之间结合最紧密，镀层质量最好。

根据试验及计算结果可得出不同电流密度下的镀速,可知电流密度对镀速影响很大, 随着电流密度的增大, 镀速有很大提高, 但是电流密度过大时镀速有下降的趋势。

电流密度低于3 . 0 A /dm2时, 镀速随电流密度值的增加而增加, 高于 3 . 0A/dm2时, 镀速随电流密度值的增加而减少。

一般情况下电流密度增加其沉积速度也会增加, 这符合法拉第定律, 但是当电流密度过高时, 溶液中消耗的镍离子不能得到及时的补充, 因此在电沉积过程中镀层会出现烧焦现象, 效果并不理想, 因此电流密度控制在 3 . 0A /dm2为好。

三.铝合金电镀的应用作为汽车安全件的铝合金轮毂，不但在车辆行驶过程中需要承受整车车身重量和过载压力，而且还要求具有比整车寿命更长的运行时间；同时轮毂在平衡整车外形美观方面也发挥着举足轻重的作用，所以轮毂的表面处理技术在提高轮毂耐腐蚀性、提高抗石击能力和增加美观效果等方面，都显得尤为重要。

目前，铝合金轮毂表面处理工艺主要分为涂装（喷漆或喷粉）和电镀两大类，过去那种单纯的阳极氧化膜处理工艺已逐步被淘汰。

铝轮毂电镀最早兴起于美国，高档汽车配上这样的轮毂显得华丽而且与众不同，主要原因是铝的轻质与装饰铬外观的完美结合。

镀铬工艺主要流程为：除油→清洗→酸蚀→预镀锌→预镀暗镍→预镀亮铜→清洗→活化→镍封→镀铬→清洗→吹积水→烘干，电镀设备可采用连续通过式或步进式的电泳槽，但这样的传统电镀工艺由于使用强酸、强碱及氰化物、铬酐等有毒有害化学品，产生的废水成分复杂，对环境影响很大。

随着社会环保意识的加强，大力发展环保产品才能真正促进经济发展，任何牺牲环保与浪费资源的发展都只能是短暂的，所以近几年来，国内外都加大了对铝轮毂表面处理的研究，新技术、新工艺也层出不穷。

此外，铝合金因密度小，比强度高，可以采用压铸技术高速地生产尺寸精度高、形状复杂和质量轻的零部件，从而在航空及建筑等领域获得广泛使用[11]。

结语与展望新的涂层技术层出不穷，并朝着高精密和智能化方向发展，如超声火焰喷涂、激光熔覆、真空烧结和激光诱导WD 法等；同时也研制出了许多新的复合涂层，并向着多功能性和实用性的方向发展。

金属表面复合涂层无疑具有很大的潜力和良好的发展前景，但也存在一些需要进一步探讨和亟待解决的问题：①继续完善现行工艺的研究，制备出性能更佳、品种更多的复合涂层，并加大涂层的实际应用和规模化生产的开发；②进一步深入研究解决复合涂层与基体金属之间的附着力差、涂层失效机理、涂层性能测定及涂层稳定性模拟等问题；③发展节能、清洁、无污染、工序简便、成本低和生产效率高的新工艺，应是今后的发展方向；④涂层多组元、纳米化、梯度化、微叠层、无机-有机杂化及多功能化应作为以后研究的重点。

参考文献[1]宣天鹏．材料表面功能镀覆层及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2008．7-16．[2]冯立明，王玥，孙华等．电镀工艺与设备[M].北京:化学工业出版社，2005:242 －243.[3]张宏祥，王为．电镀工艺学[M]．天津:天津科学技术出版社，2002:304－305．[4]孙万昌,张磊,张晗,卢建华.金属表面复合层研究进展[J].材料热处理技术,2011,40(16):75-77.[5]夏玉平，张之秀．铝合金阳极氧化特种复合涂层工艺研究[J]．兵器材料科学与工程，2000，23(2)：66-71．[6]Li L B，An M Z．Electroless nickel-phosphorus plating on SiCP/Al composite from acid bath with nickel activation[J]．J.of Alloy Compd，2008，461：85-91．[7]蒋驰，张鹏程，肖云峰，等．铝表面钽/ 镝/ 铅复合涂层组织结构的研究[J]．材料保护，2001，34(1)：19-24．[8]黄开金，林鑫，李朝武，等．AA7075 铝合金表面激光熔覆Zr基复合涂层的组织与磨损行为[J]．应用激光，2006，26(6)：398-403.[9]冯立明，王玥，孙华．电镀工艺与技术［M］．北京:化学工业出版社，2005: 85－86.[10]安茂忠．电镀理论与技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004．279-285.[11]赵予川.铝压铸件镀锌军绿色钝化工艺[J].电镀与精饰.2010，212（11）：34-35.。