课程设计 铝合金轮毂的防腐装饰工艺设计 董超

铝合金轮毂的防腐装饰工艺设计金属0902 董超 3090702041指导教师：纪嘉明邵红红1 铝合金轮毂服役条件分析对于高速行驶的汽车来说，轮毂是左右汽车整体性能最重要的安全部件之一（见图1）。

它不仅要承受静态时车辆本身垂直方向的自身重量，还需承受高速行驶中转弯时的横向载荷以及驱动力和制动扭矩，并且还有石块冲击、路面凹凸不同等各种非自身原因造成的不规则应力。

除此之外，车轮高速旋转时它承受的轴向应力和径向应力，又直接影响到整车行驶中的平稳性、抓地性、制动性等行驶性能。

图1 铝合金轮毂轮毂需要在各种户外气候环境下全天候运行。

首先车轮直接与地面接触，经受地面溅起的泥沙、碎石的冲击和污水、废液溅射的影响；其次在汽车行驶过程中，轮胎与地面以及制动盘与制动片的摩擦会产生出很高热量，导致轮胎和制动片老化以及加速磨损，制动性能会因高温而急剧衰减，启动、制动尤其是高速突然制动轮毂各方向上会产生很大的应力；而且它会经受各种各样的环境因素的影响，比如酸雨、盐碱地、炎热、酷寒、风雪等会引起腐蚀的各种恶劣环境。

因此它是汽车零件中服役条件最恶劣的部件之一。

在这种工作环境下铝合金轮毂会遇到多种腐蚀因素，如果不进行一定的表面处理防护，车轮的服役寿命将大大缩短；轮毂的性能大大降低，甚至会严重威胁到驾驶者的生命安全。

同时汽车行业的飞速发展和人们生活条件的日益改善以及对审美观念的升级，轮毂的外观与车身的协调性，也已成为衡量汽车性价比的重要标志之一。

所以提高轮毂的防腐性能，并提高车轮的美观性是铝合金轮毂表面处理的主要目的。

2 铝合金轮毂所需性能通过对铝轮毂服役条件的分析，可确定铝合金轮毂所需的性能如下：（1）耐疲劳性好、强度高、硬度大、塑性、韧性好；（2）散热性好；（2）重量轻，精度高、失圆度、不平衡重小；（3）弹性模数小，抗振性能优越（4）表面防腐耐蚀性能好；（5）外观靓丽、多变。

铝合金置于空气中时，铝和氧的结合力强，在大气中很容易形成氧化膜，这层氧化膜虽然也具有一定的防腐功能，但是这层氧化膜膜层不均匀、耐蚀性能不佳。

故而为了提高铝合金轮毂的表面硬度、耐蚀性以及美观性，必须采用采用一定的表面处理工艺才能达到目的。

3 工艺选择目前，铝合金轮毂表面处理工艺主要有涂装和电镀，过去的那种单纯的阳极氧化膜处理工艺已逐步被淘汰。

普通车型的轮毂在外观上考虑的较少，散热性好是一项基本要求，工艺上基本采用涂装处理，成本比较经济而且颜色靓丽、保持时间长久。

涂装工艺是重要的表面处理技术之一，它不仅适宜于形状复杂的铸造铝合金轮毂，而且所形成的涂层有较高的硬度和良好的电绝缘性，并有良好的抗蚀、耐磨、防护、装饰效果。

但涂装工艺中涂料及涂膜的病态或缺陷会严重影响涂装质量。

比如涂装前涂料在贮存过程中的沉淀结块、发浑、变稠或起皮等；涂装过程中涂料的流挂、涂膜的慢干或返黏以及涂膜上的气泡、起泡、刷痕等；涂装后涂膜的变色、失光、粉化或开裂剥落等。

而且涂层附着力相对于电镀层较低，耐蚀性、耐磨性较电镀也有所不及。

电镀工艺是当今使用最为广泛的轮毂表面处理工艺。

其工艺流程完善，生产体制健全、缺陷分析及防护到位。

镀层的耐磨性、抗蚀性、散热性均很好，镀层结合力高，而且色泽鲜亮生动、炫丽、保持时间长久。

只是由于使用强酸、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，对环境影响相对于涂装较高。

但是中高档汽车大多选择电镀工艺作为其首选表面处理工艺。

镀层硬度高、耐蚀性及散热性好、且色泽保持时间长久，质优价高，尤为高档轿车所喜爱。

我此次的工艺设计就是针对高档汽车铝轮毂所设计，某些工序为追求镀层高质量以及考虑到环保问题，适当选择了价格较高的配方、设备等。

近年来针对电镀的不足而出现的新工艺层出不穷。

根据这些新工艺，我对传统工艺进行了适当的改进，将部分可以避免或降低的不良因素消除或降低。

4 工艺流程毛坯检查→机械化学抛光→水洗→上挂具→化学准备（超声波除蜡→水洗→化学除油→水洗）→碱蚀→水洗→酸蚀→水洗→活化→水洗→预镀镍→水洗→酸性光亮镀铜→水洗→铜保护→风干→下挂具→铜层抛光→上挂具→超声波除蜡→水洗→化学除油→水洗→酸活化→水洗→镀半光亮镍→镀高硫镍→镀光亮镍→镍封→水洗→活化→水洗→镀铬→回收→水洗→热水洗→烘干→下挂具。

5 各工序的作用、配方及工艺参数分析5.1毛坯检查铝轮毂的电镀质量和耐蚀性与毛坯的表面状态有直接的关系。

铸造、热处理和机械加工过程中的不良操作会使铝轮毂毛坯产生疏松、孔隙、开裂等缺陷，不仅影响电镀的质量，而且降低了材料的耐蚀性。

毛坯检查可提前发现工件表面上的缺陷，并对一些表面轻微瑕疵在下一步的研磨抛光中进行修补，提高镀层质量。

若缺陷较严重，则难以弥补，一旦加大抛磨量，就可能使铝轮毂变形，导致报废。

5.2 机械化学抛光抛光是改变铝轮毂表面粗糙度的关键工序。

合理的抛光工艺可以很好的降低铝轮毂表面粗糙度，去除表面的各种宏观缺陷，提高轮毂表明的光亮度，从而获得平整、光洁、无瑕的表面，以提高电镀质量。

由于轮毂表面的复杂性与轮毂产品的多样性，传统的人工抛光工艺不仅限制了抛光的效果，也制约了轮毂大批量抛光的实际生产。

在此我选择采用新近研发的铝轮毂型面抛光工艺。

这是一种在机械抛光的过程中，同时使用化学腐蚀抛光的新型抛光工艺。

其中的化学抛光不仅有抛光的作用，而且软化了工件表面，提高了抛光效率。

该工艺不仅降低了表面粗糙度，获得光亮平面，而且有助于提高工件表面的抗蚀性能，抛光速度快、效率高。

5.2.1 铝轮毂型面抛光工艺流程滚筒Ⅰ型抛光机加工→水洗→晾干→化学抛光→滚筒Ⅱ型抛光机加工5.2.2 机械抛光将铝轮毂放入抛光机中进行抛光即可。

抛光所用各种磨料如图2所示，其尺寸见表1。

表1 磨料尺寸（mm）滚筒Ⅰ型抛光机用尺寸滚筒Ⅱ型抛光机用尺寸粒度（目）用量（kg）棕刚玉Φ15圆锥Φ6球形280 60 树脂磨料Φ20圆锥Φ20圆锥300 60 钢球∕Φ3 ∕100 金刚砂﹟400 ﹟400 ∕50 石英砂﹟250 ∕∕60（a）棕刚玉和树脂磨料（b）钢球磨料（c）金刚砂磨料（d）石英砂磨料图2各种磨料展示5.2.3 化学抛光化学抛光工序在两次机械抛光工序之间，主要起软化光亮的作用。

传统的铝及铝合金化学抛光液主要有酸性和碱性溶液量大类。

碱性抛光液主要成分是氢氧化钠，操作温度高，通常在100℃以上，抛光时碱雾严重，影响操作环境，对铝腐蚀严重，金属失重大，且需要较浓的酸作后处理以清楚碱洗后留下的黑膜，提高表面光亮度，工序较多。

酸性抛光液主要有磷酸系和非磷酸系两大类。

磷酸系抛光液一般都含有60﹪以上的磷酸。

由于磷酸是富营养物质，排放后会恶化水系环境，操作温度高，一般为90℃以上，切系强酸性溶液，故抛光后铝材损失大，抛光过程中有大量氧化物产生，恶化工作环境。

非磷酸系抛光液由多种酸混合而成，常用如硝酸、硫酸、氢氟酸等。

通常还要添加缓蚀剂，如糊精或阿拉伯树胶等。

故采用非磷酸系化学抛光液。

配方见表2.表2 化学抛光槽液组成和工艺条件硝酸的主要作用是除铝，氢氟酸主要是为了去除铝轮毂中含量较多的硅。

硫酸的作用是为反应提供酸性环境，也起到催化剂的作用，同时抑制氢氧化物的生成，使生产比较环保，人员操作环境安全。

糊精或阿拉伯树胶起缓蚀剂的作用，防止酸洗腐蚀局部过快导致工件报废。

注意对废气及废液的处理。

氢氟酸对人体有毒害作用，使用时应十分谨慎，做足防护措施。

同时要防止对环境的扩散及污染。

对排出的废气要通过氢氧化钠溶液的吸收中和后再排放。

5.3水洗使用纯水，清除工件表面上残留的污渍。

5.4上挂具电镀加工工序中，镀件依靠挂具来传递，并作为导体装镀件载入镀槽，通过挂具将镀件与镀液连接，配上电流后，将电流由电极传入镀液，使镀件附近的金属离子得到电子，在镀件上还原而获得镀层。

上挂具的工作对保证镀件质量、提高生产效率、节约成本等方面能起到积极的作用。

具体要求如下：（1）挂具应清洁、完好。

当发现挂具绝缘层有破损时，应立即将其拣出，然后进行修补或换新。

（2）挂具使用前某些镀层必须退除。

某些镀层在前处理过程中会溶解，如镀锌层等，故使用前这种镀层需先经退除，否则会污染前处理溶液。

（3）挂具接触点要良好。

若接触点镀层过厚，应及时清除和修平。

（4）轮毂上挂具的位置一定要正，气门孔朝向一致，倾斜的角度要调整到最佳，既要确保轮毂内圈的空气能够逸出，又要使轮毂下圈的溶液在出槽时能够流出。

（5）挂具进缸时的速度应适当放慢，以免因槽液涌动而使接触点移动，从而影响导电；出槽时，工件应在槽边搁置片刻，使兜带的溶液流回槽中，以减少溶液带出损失，减轻对下一道工序溶液的污染。

5.5 化学准备铝轮毂经机械研磨、抛光后，其表面会沾上油垢以及磨料所携带的垢物，使镀层与基体的结合力下降，这是铝轮毂电镀生产中产生废（次）品的主要原因。

因此，在电镀前必须将铝轮毂表面的污垢彻底清除。

通过热浸除蜡和电解除油可将表面污垢彻底清除。

5.5.1 超声波除蜡因为铝轮毂面积大,形状复杂,采用超声波强化,有利于除蜡。

除蜡配方及工艺条件见表3表3工艺配方及工艺条件此处采用双频超声波强化，可以使清洗槽内的驻波场均匀度提高，显著提高除蜡效果。

低频是26 kHz，高频是47 kHz。

5.5.2 化学除油5.5.2.1 金属表面除油概述金属表面除油是表面工程中的预处理，它是各种预处理工序中最重要而又最关键的一道工序。

除油是否彻底不但影响到下一个工序的操作，而且影响整个产品的质量和寿命。

表面除油工艺包括有有机溶剂除油、化学除油和电化学除油、物理-化学法除油以及机械和手工除油等。

5.5.2.2 工艺选择铝及铝合金的除油通常采用化学或电化学除油工艺。

化学除油主要优点是除油液无毒、不用电、价格便宜、操作方便。

但除油效果不如电化学除油彻底。

电化学除油效率高、效果和质量更有保证。

但电化学除油时可能产生氢脆，某些电位较正的杂质也容易在工件表面上沉积或挂灰。

氢脆会使工件强度降低，对于要求高强度的铝轮毂是很不利的。

而且电化学除油需要电源设备及系统，操作过程也比其他的方法复杂。

故对铝轮毂的除油选择化学除油。

又由于化学除油效果不如电化学除油，故在化学除油过程中引入超声波，可强化除油过程、缩短除油时间、提高工艺质量，还可以彻底清除细孔、盲孔中的油污。

化学除油又分为碱液除油和酸液除油。

碱液除油与酸液除油均适用于铝及铝合金表面的除油。

但是碱液除油中槽液易产生絮状沉淀，络合剂、表面活性剂易带入后续槽形成污染。

而酸液除油中有特制的脱脂剂，该脱脂剂含氧化剂、表面活性剂、高价金属离子等成分，对铝金属有弱侵蚀能力。

且酸性脱脂剂在常温下能保持其侵蚀能力，对各种铝制品都有极好的清洗效果。

更能抑制酸对不锈钢设备的腐蚀，保证清洗设备的使用寿命。

故在此采用酸液除油。

综合各类因素，决定采用引入超声波的酸液除油工艺。