缓蚀剂在化学抛光液中对铝的缓蚀效果
缓蚀剂在化学抛光液中对铝的缓蚀效果
国营江南机器厂 王健春
摘要：用失重法阐述了缓蚀剂在化学抛光液中对铝及铝合金的缓蚀效果。实验结果表明，在化学抛光液中，具有协同效应的复合缓蚀剂比单一缓蚀剂有着更加优越的缓蚀性能。
一、前言
铝及铝合金的表面精饰，一般都要经过除油、酸洗、化学抛光（或电解抛光）等布骤，尤其是通过抛光的方法，使零件获得光亮、整平的表面。
常用的化学抛光液为H3PO4、H2SO4、HNO3三酸组成。这种抛光液对不同的铝材其三酸配比是不同的。
在抛光液中加入(NH4)2SO4和CONH2（尿素）作为添加剂，来改善其抛光质量，有较好的效果，而且扩大了抛光液的适用范围。这里(NH4)2SO4和CONH2作为一种表面活性剂或缓蚀剂起到了缓蚀作用。因此，要提高抛光质量，扩大三酸抛光液的适用范围，考虑在抛光液中添加缓蚀剂是十分必要的。
二、实验部分
1.实验用母液配方
H3PO4 80%（重量比）
H2SO4 15%
HNO3 5%
CuSO4 0.4%
2.试样
试样分别用L4工业纯铝、LY12硬铝合金、LC4超硬铝合金、LF 5防锈铝合金四种铝材制成。试样用化学去油后，烘干恒重再称重。
3.缓蚀剂
在本实验中，笔者尽量选用一些低毒，无臭味的缓蚀剂，如硫酸铵、醋酸铵，丙三醇，磺酸水扬酸、乌洛托品等。所用缓蚀剂全部采用化学纯试剂。
4.实验
每项实验用母液250ml。抛光液温度为98～l00℃，抛光时间为2分钟。试样抛光后用硝酸除去表面接触铜，清洗干净后烘干恒重再称重。然后用失重法比较缓蚀剂的缓蚀效果，用目视法比较腐蚀程度与整平，光亮性。
在复合缓蚀剂的实验中，把添加量多的缓蚀剂称为主缓蚀剂，反之则称为辅助缓蚀剂。
三、结果与讨论
1.单一缓蚀剂的缓蚀效果
用失重法测得的单一缓蚀剂缓蚀效果见表1。从表1可以看出，醋酸铵除了对LY12硬铝的缓蚀效果稍差以外，对其它三种铝材的试样都有较好的缓蚀效果，磺酸水扬酸虽然只对LC4铝有缓蚀效果，但对另三种铝材试样的缓蚀作用比较平稳，其结果表现出较好的一致性。
表1 单一缓蚀剂的缓蚀效果（mg/cm2）
常用的化学抛光液为H3PO4、H2SO4、HNO3三酸组成。这种抛光液对不同的铝材其三酸配比是不同的。
在抛光液中加入(NH4)2SO4和CONH2（尿素）作为添加剂，来改善其抛光质量，有较好的效果，而且扩大了抛光液的适用范围。这里(NH4)2SO4和CONH2作为一种表面活性剂或缓蚀剂起到了缓蚀作用。因此，要提高抛光质量，扩大三酸抛光液的适用范围，考虑在抛光液中添加缓蚀剂是十分必要的。
二、实验部分
1.实验用母液配方
H3PO4 80%（重量比）
H2SO4 15%
HNO3 5%
CuSO4 0.4%
2.试样
试样分别用L4工业纯铝、LY12硬铝合金、LC4超硬铝合金、LF 5防锈铝合金四种铝材制成。试样用化学去油后，烘干恒重再称重。
3.缓蚀剂
在本实验中，笔者尽量选用一些低毒，无臭味的缓蚀剂，如硫酸铵、醋酸铵，丙三醇，磺酸水扬酸、乌洛托品等。所用缓蚀剂全部采用化学纯试剂。
4.实验
每项实验用母液250ml。抛光液温度为98～l00℃，抛光时间为2分钟。试样抛光后用硝酸除去表面接触铜，清洗干净后烘干恒重再称重。然后用失重法比较缓蚀剂的缓蚀效果，用目视法比较腐蚀程度与整平，光亮性。
在复合缓蚀剂的实验中，把添加量多的缓蚀剂称为主缓蚀剂，反之则称为辅助缓蚀剂。
三、结果与讨论
1.单一缓蚀剂的缓蚀效果
用失重法测得的单一缓蚀剂缓蚀效果见表1。从表1可以看出，醋酸铵除了对LY12硬铝的缓蚀效果稍差以外，对其它三种铝材的试样都有较好的缓蚀效果，磺酸水扬酸虽然只对LC4铝有缓蚀效果，但对另三种铝材试样的缓蚀作用比较平稳，其结果表现出较好的一致性。
表1 单一缓蚀剂的缓蚀效果（mg/cm2）
实验发现添加丙三醇，乌洛托品（六次甲基四胺）和尿素的抛光液与试样反应相当快，有加速铝溶解的作用。它们能还原抛光液中的HNO3，而析出大量的NO2黄烟，降低了HNO3对铝的钝化作用。同时这种缓蚀剂的离子化电势Io值较大，其极性基团的电子供给性较小，化学吸附作用较差。因此这类缓蚀剂的缓蚀效果一般是较差的。这一点与实验结果基本相符。
2.复合缓蚀剂的缓蚀效果
利用复合缓蚀剂的协同效应，对于缓蚀剂从延缓腐蚀到阻止腐蚀的过程有着重要的作用。
表2 复合缓蚀剂的缓蚀效果（mg/cm2）（一）
2.复合缓蚀剂的缓蚀效果
利用复合缓蚀剂的协同效应，对于缓蚀剂从延缓腐蚀到阻止腐蚀的过程有着重要的作用。
表2 复合缓蚀剂的缓蚀效果（mg/cm2）（一）
表2的实验结果表明，磺酸水扬酸+乌洛托品组成的2#复合缓蚀剂对四种铝材都有较明显的缓蚀效果，硫酸铵+尿素组成的1#和醋酸铵+磺酸水扬酸组成的3#复合缓蚀剂，分别对LC4，LF5有一定的缓蚀作用，但从1#、3#对试样总失重率来看、3#比l#的缓蚀作用强。
表3 复合缓蚀剂的缓蚀效果（mg/cm2）（二）
表3 复合缓蚀剂的缓蚀效果（mg/cm2）（二）
注：4#、5#、6#分别对应表2中1#、2#、3#复合缓蚀剂
表3的实验结果表明，同样的复合缓蚀剂，当改变辅助缓蚀剂的添加量时(由10-2M降至10-3 M)，其缓蚀效果的结构发生了变化。硫酸铵+尿素的4#复合缓蚀剂的缓蚀效果显著提高，与表2中的1#结果相比，其总失重率下降12.8%，而且总失重量比5#还低0.2mg。 5#、6#与表2相比基本保持不变。但5#除了对LC4铝的缓蚀效果有所下降外，对其它三种铝材的缓蚀作用仍优于4#。
改变辅助缓蚀剂的添加量所引起的缓蚀结果的变化，说明缓蚀效果与缓蚀剂的临界浓度有关。因此，在应用缓蚀剂时，如何确定其添加量，对提高缓蚀效果和减少浪费都是很重要的。
3.HNO3浓度对缓蚀效果的影响
实验发现，当HNO3浓度低予3%时，对铝的钝化作用明显减弱。在乌洛托品，丙三醇，尿素的缓蚀液中，当温度升至80℃时，就有大量的NO2析出，致使HNO3浓度降低40%，所以它们在表l中所示的缓蚀效果是很差的。
表4 HNO3浓度为10%时试样失重结果（mg/cm2）
注：7#、8#、9#分别对应表3中的4#、5#、6#复合缓蚀剂
表4结果不难看出，当HNO3浓度由5%增至10%时，其缓蚀效果普遍下降。在无缓蚀剂的抛光液中，铝的失重率增加15～40%，磺酸水扬酸抛光液，其失重率增加了60～90%，硫酸铵抛光液则随铝材含Mg量的增加，失重率呈递减关系，复台缓蚀剂抛光液的失重率也是增加的。
在无缓蚀剂抛光液中，提高HNO3浓度引起失重率增加的原因尚不能确定，但在有缓蚀剂的抛光液中，引起失重率增加的原因是因为部分缓蚀剂被HNO3氧化，并且破坏了缓蚀剂的化学吸附，从而导致缓蚀效果的降低。
4.外观评价
外观评价用点蚀，条蚀，光亮度和整平性来讨论。
在无缓蚀剂抛光液中，当HNO3浓度为10%时，点蚀和条蚀有较明显的好转，光亮度和整平性，也显著提高。
在单一缓蚀剂抛光液中，磺酸水扬酸对L4和LF5铝没有点蚀和条蚀，亮度与整平性较好，硫脲仅对L4铝有抑制点蚀和条蚀的作用，丙三醇对L4和LY12铝有良好的抑制点，条状腐蚀的作用，但对LC4铝有较严重的腐蚀，醋酸铵对L4、LY12、LF5铝都没有点状和条状腐蚀。在10%HNO3浓度的抛光液中，醋酸铵、磺酸水扬酸抑制点蚀和条蚀的作用更好，而且亮度与整平性都有明显地提高。
在复合缓蚀剂抛光液中，l#、4#液抑制铝点、条状腐蚀和整平作用都比较差，但在10%HNO3浓度的7#液中都有明显提高，2#、5#液对四种铝材的外观评价是令人满意的，在10%HN03浓度的8#液中，抑制铝的条状腐蚀作用有所减弱，但仍比1#、4#液要好，3#，6#液的试样外观评价结果与2#，5#液试样外观评价结果几乎相同。
四、结论
1.硫酸铵+尿素的复合缓蚀剂对铝及铝合金有较明显的缓蚀效果，但对抑制LY12. LC4铝点蚀和条蚀的能力比较差，不太适合装饰性化学抛光。
2.磺酸水扬酸+乌洛托品的复合缓蚀剂对铝的缓蚀效果与硫酸铵+尿素的缓蚀效果相同，而且外观评价优于其它复合缓蚀剂，是一种较理想的装饰性抛光液。
3.复合缓蚀剂比单一缓蚀剂的缓蚀效果优越，而且复合缓蚀剂抛光液的抛光件表面能够获得▽12～▽13的镜面光泽。
表3的实验结果表明，同样的复合缓蚀剂，当改变辅助缓蚀剂的添加量时(由10-2M降至10-3 M)，其缓蚀效果的结构发生了变化。硫酸铵+尿素的4#复合缓蚀剂的缓蚀效果显著提高，与表2中的1#结果相比，其总失重率下降12.8%，而且总失重量比5#还低0.2mg。 5#、6#与表2相比基本保持不变。但5#除了对LC4铝的缓蚀效果有所下降外，对其它三种铝材的缓蚀作用仍优于4#。
改变辅助缓蚀剂的添加量所引起的缓蚀结果的变化，说明缓蚀效果与缓蚀剂的临界浓度有关。因此，在应用缓蚀剂时，如何确定其添加量，对提高缓蚀效果和减少浪费都是很重要的。
3.HNO3浓度对缓蚀效果的影响
实验发现，当HNO3浓度低予3%时，对铝的钝化作用明显减弱。在乌洛托品，丙三醇，尿素的缓蚀液中，当温度升至80℃时，就有大量的NO2析出，致使HNO3浓度降低40%，所以它们在表l中所示的缓蚀效果是很差的。
表4 HNO3浓度为10%时试样失重结果（mg/cm2）
注：7#、8#、9#分别对应表3中的4#、5#、6#复合缓蚀剂
表4结果不难看出，当HNO3浓度由5%增至10%时，其缓蚀效果普遍下降。在无缓蚀剂的抛光液中，铝的失重率增加15～40%，磺酸水扬酸抛光液，其失重率增加了60～90%，硫酸铵抛光液则随铝材含Mg量的增加，失重率呈递减关系，复台缓蚀剂抛光液的失重率也是增加的。
在无缓蚀剂抛光液中，提高HNO3浓度引起失重率增加的原因尚不能确定，但在有缓蚀剂的抛光液中，引起失重率增加的原因是因为部分缓蚀剂被HNO3氧化，并且破坏了缓蚀剂的化学吸附，从而导致缓蚀效果的降低。
4.外观评价
外观评价用点蚀，条蚀，光亮度和整平性来讨论。
在无缓蚀剂抛光液中，当HNO3浓度为10%时，点蚀和条蚀有较明显的好转，光亮度和整平性，也显著提高。
在单一缓蚀剂抛光液中，磺酸水扬酸对L4和LF5铝没有点蚀和条蚀，亮度与整平性较好，硫脲仅对L4铝有抑制点蚀和条蚀的作用，丙三醇对L4和LY12铝有良好的抑制点，条状腐蚀的作用，但对LC4铝有较严重的腐蚀，醋酸铵对L4、LY12、LF5铝都没有点状和条状腐蚀。在10%HNO3浓度的抛光液中，醋酸铵、磺酸水扬酸抑制点蚀和条蚀的作用更好，而且亮度与整平性都有明显地提高。
在复合缓蚀剂抛光液中，l#、4#液抑制铝点、条状腐蚀和整平作用都比较差，但在10%HNO3浓度的7#液中都有明显提高，2#、5#液对四种铝材的外观评价是令人满意的，在10%HN03浓度的8#液中，抑制铝的条状腐蚀作用有所减弱，但仍比1#、4#液要好，3#，6#液的试样外观评价结果与2#，5#液试样外观评价结果几乎相同。
四、结论
1.硫酸铵+尿素的复合缓蚀剂对铝及铝合金有较明显的缓蚀效果，但对抑制LY12. LC4铝点蚀和条蚀的能力比较差，不太适合装饰性化学抛光。
2.磺酸水扬酸+乌洛托品的复合缓蚀剂对铝的缓蚀效果与硫酸铵+尿素的缓蚀效果相同，而且外观评价优于其它复合缓蚀剂，是一种较理想的装饰性抛光液。
3.复合缓蚀剂比单一缓蚀剂的缓蚀效果优越，而且复合缓蚀剂抛光液的抛光件表面能够获得▽12～▽13的镜面光泽。
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