郭瑞光，李晓杰，唐长斌，张建国
（西安建筑科技大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安 710055）
 

摘要：使用脱氧/除斑剂代替传统的硝酸、氢氟酸酸洗出光工艺对压铸铝合金表面进行处理，与传统工艺和简化工艺进行了对比。结果发现，采用由除油、脱氧/除斑剂除灰活化、钝化处理组成的新工艺不仅能在压铸铝合金表面获得色彩均匀的转化膜层，而且消除了传统工艺在生产过程中产生的污染物。新工艺所得的转化膜可通过96h的盐雾试验，环保节能，有望在压铸铝合金表面处理中得到广泛应用。
 

前言
 

  铝合金密度小、比强度高，在航空、电子、汽车、建筑、轻工业等领域应用广泛。采用压铸技术可以高速生产精度高、形状复杂且重量轻的铝合金零部件。因此，压铸铝合金的使用量正逐年增加。由于硅和铜等元素的加入，使压铸成型铝合金零件耐蚀性明显降低，阳极氧化处理不易获得均匀的保护膜。另外，其表面硬度低，容易磨损，外表光泽不能保持长久，耐脏性、装饰性差。虽然有报道称铬酸盐化学转化膜技术是一种较好的铸铝合金表面处理方法，但由于六价铬在自然环境条件下不能自然分解，易在生物和人体内积聚而导致病变。水中含微量的铬（达到0.1 mg/L时）就会使人产生鼻出血、乳腺癌、霍奇金、流产、白血病、脊椎骨退化等各种病症。因此，我国己于2007年3月1日起执行欧盟ROHS指令，禁止在转化处理过程中使用六价铬等有害物质。此外，传统的铸铝化学钝化前处理—硝酸一氢氟酸混酸出光工序，在生产过程中产生大量的氮氧化物、氟化氢等有毒气体，给生产车间、周围环境、工人健康和社会的可持续发展造成严重的影响。因此，在铸铝合金表面研究开发耐蚀性好的环保型无铬化学转化处理新技术、新工艺，有十分重要的意义。
2 实验
2.1材料
  采用的实验材料为某公司提供的经过喷丸处理的ADC 12压铸铝件。该压铸件成分除铝外，其他成分的质量分数分别为Cu 2.5%，Si 11.1%，Mg 0.25%，Mn0.2%，Zn 0.9%。
2.2工艺流程
  在工厂实际应用调查的基础上，对以下3种工艺进行研究。
(1)传统工艺：除油一水洗一碱蚀一水洗一酸洗—出光一水洗一除灰活化一水洗一钝化处理一水洗一干燥一性能评价。
(2)比较工艺：除油一水洗一酸洗出光一水洗一除灰活化一水洗一钝化处理一水洗一干燥一性能评价。
(3)推荐工艺：除油一水洗一除灰活化一水洗一钝化处理一水洗一干燥一性能评价。
2.2.1 除油
  除油采用碱性清洗剂TurcO 4215 NC LT（美国Turco Products，Inc.产品）进行脱脂处理。为了保证铸件表面不发生过腐蚀，脱脂温度为常温，时间5～8 min。
2.2.2 碱蚀
  采用10%（质量分数）的氢氧化钠溶液处理，处理温度55～60℃，时间2～5 min。
2.2.3 酸洗出光
  采用硝酸与氢氟酸体积比为3：1的混酸进行处理，处理温度为常温，时间5～30 s。
2.2.4 除灰活化
  采用美国Turco Products，Inc.生产的脱氧/除斑剂SmutGo NC进行处理，处理温度为常温，时间1～3 min。
2.2.5 钝化处理
  配方及工艺条件为：钛盐0.5～1.0  g，NaF 3～6 g/L，OP-10 2～3 mL/L，添加剂4～6 g/L，温度10～30 0C，pH 4.0～4.6，时间5 min。
2.2.6 性能评价
  (1)膜层外观：目视和金相观察铸铝件成膜情况，如外观颜色、膜连续性及均匀性等。
  (2)防腐性能测试：采用盐雾试验，参照ASTM B117标准。试样暴露于温度为35℃、相对湿度为100%的恒定环境中，采用5%（质量分数）的氯化钠溶液。收集溶液的pH在6.5 ～ 7.2之间。试片的位置与垂直方向成15～30°
3结果与讨论
3.1氟铝酸盐转化膜的特征
  本研究利用氟离子对铝的强刻蚀性且迅速形成稳定氟铝配离子，进而与转化液中的钠离子（钾离子或铵离子）反应生成氟铝酸盐沉淀的原理，在铝合金表面形成一层氟铝酸盐转化膜。与传统的铬酸盐转化膜和磷化膜技术相比，由于氟铝酸盐转化膜技术具有以下优点，可望成为一种新的铝合金表面处理技术：
  (1)绿色环保节能。铝合金表面氟铝酸盐转化膜制备技术不使用六价铬和磷酸盐，生成的转化膜也不含六价铬和磷酸盐。由于氟离子对铝合金的强刻蚀性及迅速形成稳定氟铝配离子的特点，氟铝酸盐转化膜能够在常温条件下在铝合金表面迅速形成。由于起刻蚀作用的氟离子、被刻蚀的铝离子均参与了转化反应，成为转化膜的一成分，所以废弃资源得到有效利用，废液对环境的影响也大大减轻。氟铝酸盐（如冰晶石）是铝冶炼的助熔剂，故采用这种技术处理的铝合金废1日产品的回收非常方便。
  (2)高效高性能。氟离子对铝的强刻蚀性以及氟铝配离子的高度稳定性，使得氟铝酸盐转化膜在常温条件下，3~5 min就能够在铝合金表面形成。与传统的铬酸盐转化膜和磷化膜技术不同，氟铝酸盐转化膜技术由于铝合金表面被刻蚀的铝离子本身参与了氟铝酸盐转化膜的生成，使得膜层颗粒细小、致密，转化膜与铝合金基体本身结合牢固，耐蚀性能好，与有机涂层附着力强。转化膜的形成是固液化学反应产物在金属表面首先成核、然后长大的结果。在金属表面制备颗粒（晶核）、诱发结晶发生的异相成核作用，将有益于转化反应成膜过程的进行。因此，压铸铝合金表面喷沙、喷丸处理，不仅能去除铸铝合金表面的油污，而且对于氟铝酸盐转化膜的形成有促进作用。
  (3)工艺稳定，操作简单，适用范围广。由于转化反应在常温条件下进行，处理过程唯一控制的工艺操作参数是pH。虽然铝刻蚀过程转化液中的pH将上升，但由于氟铝酸盐转化膜形成过程中钠离子（或钾离子、铵离子）的消耗，抵消了转化反应过程中转化液pH的变化，使溶液稳定性好，使用简单，维护方便。而通过在转化液中加入配位化合物，使其配合转化成膜反应中产生的铜、锌、镁等金属离子，从而消除这些有害杂质对转化膜形成的影响。因此，该工艺还适用于其他铝合金的表面处理。
3.2.3种工艺处理效果的比较
  铸铝合金表面采用上述3种不同处理工艺进行处理后的实验结果见表1
表一     3种不同处理工艺比较

  化学转化处理是金属表面与溶液中有关化学组分发生化学与电化学反应形成转化膜的过程，因此，金属表面油脂、锈斑或氧化皮将会阻止或干扰转化膜的形成，故须彻底去除。因为即使是金属表面的局部未清理干净，转化反应也将造成转化膜的不完整，而导致处理后的产品防腐性能降低。传统工艺中，脱脂、碱洗、酸洗出光处理能够将铝合金表面的油脂、碱洗处理后产生的各种氧化物杂质清除得比较彻底，所以用传统工艺处理后的产品，其盐雾试验时间比简化工艺处理后的产品长。由表1可知，采用除油脱脂、碱蚀、酸洗出光预处理的传统工艺，其转化膜盐雾测试可以达到240 h以上，防腐效果最好。
  由于压铸铝合金含有硅、铜等元素，即使在硝酸一氢氟酸酸洗出光后，进一步采用脱氧／除斑剂进行处理，也难以将斑纹去除。采用硝酸一氢氟酸酸洗出光处理的比较工艺，其盐雾测试可达到120 h，但斑纹同样无法去除。所以在推荐工艺中，没有采用硝酸一氢氟酸酸洗出光的处理工序，而是采用除灰活化工序处理。由于除灰活化工艺能使铝合金表面形成氧化铝薄层，而使其处于活化状态，因此有利于随后转化反应的发生。该工艺尽管盐雾测试结果为96 h，在3种处理工艺中最低，但由于没有采用硝酸一氢氟酸酸洗出光的处理工序，钝化处理后的压铸铝产品表面没有斑纹，色彩均匀，装饰效果好。
  由于目前大部分企业对铸铝件化学氧化处理防腐性能中盐雾测试结果要求一般低于72 h，因此该工艺符合企业要求。而且，该工艺各个工序为常温，没有氮氧化物、氟化氢等有毒气体产生，整个工艺节能环保。因此，该工艺将在压铸铝合金表面处理方面有较大的应用前景。
4结论
(1)氟铝酸盐转化膜技术用于铸铝合金表面处理具有绿色环保节能、高效高性能、操作简单、工艺稳定、适用范围广的优点，有望成为一种新的铸铝合金表面处理技术。
(2)由于缩短了工艺流程，并消除了铸造铝合金传统处理工艺中产生的大量有毒气体的污染，故采用除油、除灰活化、钝化处理的铸造铝合金表面处理工艺，将在压铸铝合金表面处理中得到广泛应用。