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安信为您科普铝合金的化学抛光
2021-07-21 18:06:21

化学抛光可以认为是在一个特定条件下的光面化学侵蚀过程,其结果是需要获得一个平滑而光亮的表面,但并不是所有的铝合金材料都可以得到这个效果。一般而言,化学抛光质量随铝合金各组分的不同而异,含铜及锌的铝合金抛光效果较差,而高硅铝则完全不适合于采用化学抛光,通常是铝的纯度越高,抛光效果越好,抛光后的反射率越高。
化学抛光有三种应用:
一是铝合金经喷砂或拉丝后旨在对其表面进行光泽处理的加工;
二是经机械抛光的工件进行化学二次研磨以消除抛光时的抛光纹理,得到均匀而平滑的光亮表面,在理想状态下化学抛光可做到比电解抛光更为平滑光亮的镜面效果;
三是铝合金工件在进行纹理蚀刻前或在阳极氧化前为了得到一个基本的光度(或称为底光)而进行的加工。在这三种应用中以机械抛光后的化学抛光要求最为严格,同时也最难控制。
化学抛光是通过抛光溶液对工件微观凹凸表面的膜层形成及溶解速率不同而达到抛光的目的。为了使抛光过程中对铝合金的溶解速率最小,需要膜层的形成速率大于溶解速率,这一目的是通过提高抛光溶液的黏度及溶液中的氧化剂或其他成膜添加剂达到的。关于化学抛光的原理并无一个权威的解释,目前有两种观点。
一是通过工件在抛光过程中由于扩散的控制而形成的氧化膜层或置换层并抑制金属的溶解速率,达到研磨的目的。当然不管是膜层或是置换层都不可能无限制地生长,在生长的同时也会被溶解。在工件表面的凹凸表面,凹面的膜层或置换层会优先一步形成,同时要厚一些。凸面的膜层或置换层会滞后一步形成,同时要薄些。这是由于凸起面电流集中,活性大,溶解速率较凹面大所致。而这种现象的发生使铝合金的凹凸表面产生了腐蚀速率差,化学抛光正是利用了这种腐蚀速率差来完成对铝合金表面的整平作用,达到表面平滑光亮的目的。与此原理相关的抛光溶液都是浓度高的,比如常用的三酸、二酸抛光等,由于这类抛光溶液的黏稠度高及添加物质的作用,使其扩散速率很低。

 

二是利用化学抛光溶液的低浓度来达到对铝工件表面低溶解速率的作用并产生研磨效果。这种方法所用的抛光溶液一般都是由稀的硝酸和磷酸组成,铬酐提供氧化剂,过氧化氢作为氧化剂也属于此类作用。其抛光原理和上述基本相同,都是通过抛光溶液对铝合金表面凹凸面的溶解速率差使铝合金工件经抛光后达到平滑和光亮的目的。
化学抛光对金属表面的整平程度是十分均匀的,同时经化学抛光后的表面比机械抛光的表面光亮度具有更优越的耐久性。

铝合金的化学抛光可分为碱性抛光和酸性抛光两种。酸性化学抛光的主要原料是磷酸、硫酸、硝酸、乙酸、氟化氢铵等。由这些基本原料根据加工目的不同可以组成很多种配方,在化学抛光中仅有这些基本原料组成的配方并不能很好地满足于生产需求,还需要有目的地在抛光溶液中添加一些旨在提高其光泽度及平滑度的添加物质。这些添加物质可分为两大类:一是无机盐;二是有机物。无机盐中采用得最多的是银、铜、镍、铬盐等,有机物有甘油、草酸、柠檬酸、氨基酸等。
化学抛光添加剂
1,使用添加剂的作用
在铝合金的化学抛光中添加剂起着不可估量的作用。其主要作用表现在以下几个方面:
一是提高光亮度和平滑度,这是添加剂最主要的功能,这类添加剂主要是银、铜、镍等;
二是增加抛光表面的透光度,这类添加剂主要是铜盐;
三是减慢抛光溶液对铝合金基体的腐蚀速率,这类添加剂主要用于硝酸-氟化氢铵型抛光工艺中,主要是硝酸铅、糊精、阿拉伯树胶等;
四是降低抛光过程中的氮氧化物气体的产生,这类添加剂主要用于含硝酸的抛光溶液,铵盐是常采用的添加剂。
添加剂的选择原则有以下几个方面:
一是添加剂的量,添加量过低达不到预期的目的,添加量过高会得到相反的效果,而最佳添加量往往要通过多次试验才能获得。
二是添加剂之间的比例,这主要针对多组分添加剂,采用多组分添加剂的目的是为了获得更好的抛光效果,但如果组分之间的比例掌握不当并不能使抛光效果得到改善,甚至使抛光质量降低。
2.各种添加剂的功效
(1)硝酸银 
硝酸银能明显提高光亮度,是化学抛光中常用的添加剂,但添加量不能过多,否则容易出现蚀点,银离子不能消除抛光过程中产生的透光度不良的现象,普通三酸或磷酸-硝酸抛光添加量一般控制在10~150mg/L;不含硝酸或低硝酸抛光添加量为0.2~1g/L。
(2)硝酸铜(或硫酸铜)
硝酸铜能提高光亮度但不如银盐的效果好,但铜盐能改善在抛光过程中产生的透光度不良的现象,铜的添加量相对于银盐来说要大得多,但铜盐添加过多容易在工件表面出现条纹、蚀点等,铜离子过多时经抛光后的铝合金表面会有一层明显的置换铜层,其添加量一般可取0.1~5g/L。
(3)镍离子 
镍离子单独使用对于光亮度及透光度等几乎没有什么特别的贡献,但当与铜离子配合时可以明显改善抛光的透光性及平滑度,以合适的比例加入抛光溶液中可以得到平滑度及光亮度优异的抛光效果,添加量一般以铜的添加量为基准,约为铜的10倍左右时其效果最好(摩尔比以7~10倍为宜)。
(4)铵盐 
铵盐对抛光的光度及平滑度等没有什么特别作用,但可明显改善抛光时氮氧化物的逸出,改善工作环境,铵盐可以硫酸铵、磷酸铵、硝酸铵的形式加入,如果以硝酸铵的形式加入切莫在高温时进行,应先将硝酸铵溶于少量水或磷酸中再加人,铵盐的添加量没有一定的规定,一般以5~50g/L为宜,铵根离子浓度越高抑制氮氧化物逸出的效果越明显,如果以硝酸铵来补充硝酸的消耗则应通过计算加入。
(5)高锰酸钾 

 

高锰酸钾可作为一种氧化剂添加到抛光溶液中,当抛光液中无硝酸时,添加高锰酸钾可提高平滑度和光亮度,在有高锰酸钾的情况下,在抛光溶液中添加一定量的硝酸铵时,黄烟的产生量会明显减少,甚至没有黄烟。高锰酸钾的添加量一般为5~10g/L。
(6)尿素 

 

尿素的加人也具有抑制氮氧化物逸出的作用,同时还能改善抛光效果,在使用尿素时要注意硝酸的用量及温度,使用尿素时如控制不当或抛光液中有催化性杂质存在时,尿素会促进硝酸的分解而产生大量的氮氧化物气体,同时也使抛光表面粗糙。
(7)硝酸铅、糊精、阿拉伯树胶 
单独或联合使用可用于硝酸-氟化氢铵型抛光溶液,能降低抛光过程中对铝的蚀刻速率,糊精和阿拉伯树胶还能改善其光泽性。

除了上述添加剂外还有铬酐、三价铬、锌、磺化物、氨基酸、草酸、阴离子表面活性剂、柠檬酸等都可以作为旨在改善抛光质量的添加物质。在这种添加剂中,特别需要一提的是三价铬和氨基酸,合适的添加量可获得带蓝白的抛光效果。氯离子和氟离子使抛光面粗化,适当的氟离子可以获得均匀而细的粗化面,氯离子使整个表面状态劣化。