铝合金碱性电化学抛光新工艺
铝合金碱性电化学抛光新工艺
胡拥军 秦毅红
（1.湖南城市学院化学系，湖南益阳413049 2.中南大学冶金物理化学研究所，湖南长沙410000）
（1.湖南城市学院化学系，湖南益阳413049 2.中南大学冶金物理化学研究所，湖南长沙410000）
摘要：为了克服碱性Brytal法抛光铝材的缺点，在NaOH溶液中加入EDTA作光亮剂抛光铝材，可获镜面光亮效果。其中直流抛光的工艺条件为：光亮剂25～40 g/L，操作电压7V、电流密度20 A/dm2、溶液温度45～50℃，抛光20 min后铝材表面反射率为90%，阳极溶解损耗0.0182g/cm2；采用周期换向抛光时溶液温度可降低至40℃，阳极溶解损耗仅0.0101 g/cm2。两抛光新工艺在生产成本、操作环境和抛光效果等方面均优于传统碱性电化学抛光。
引 言
铝及其合金性能优良，当用于化妆品盒、纽扣、反射镜时，一般都采用电化学抛光进行表面处理。
最先运用的电化学抛光是碱性BIytal法，该法操作温度高、化学腐蚀强、铝材损耗大，溶液易失效，20世纪80年代后已很少采用。目前，国内主要采用三酸法(磷酸、硫酸和铬酸法)，但其溶液毒性大、生产成本高、工作环境差。因此，研究新的无铬环保抛光工艺势在必行。碱性体系抛光铝材具有较好的效果，通过选用新的添加剂，操作条件可进一步简化，抛光效果也可得到进一步改善。
1 试验
(1)对工业纯铝进行机械打磨，并裁成15mm × 20 mm固定在玻璃板上。
(2)进行化学除油，工艺条件为10 g/L Na2SO3， 20～40 g/L NaOH， 20～30 g/L Na3PO4，温度40～60℃，时间2～8 min
(3)以不锈钢作阴极，铝作阳极，在搅拌状态下进行电化学抛光。
(4)经一定时间抛光后，将铝片迅速从槽中取出，断开电源，用自来水冲洗干净，晾干。
2 电化学抛光新工艺效果
在溶液中添加能吸附于金属表面的高分子有机物聚乙二醇，可以获得好的抛光效果，但该工艺还须加入其他几种添加剂(如酒石酸钠、葡萄糖酸钠等），条件较难控制。进一步的研究发现，用EDTA做光亮剂抛光铝材，效果较好，而且不需添加其他添加剂，工艺简化。
2.1 直流电解抛光
用直流法对铝材进行抛光发现，EDTA浓度、抛光电压和电流密度对抛光效果影响较大。
(1)光亮剂：光亮剂是影响抛光效果的关键因素，EDTA对抛光效果的影响见表1。
表1 光亮剂对抛光的影响
由表1可知，光亮剂浓度在25～40 g/L时内抛光效果都很好，操作简便、容易控制。
(2)抛光电压：只有当阳极达到钝化电位时，才可抑制电化学腐蚀，产生金属光泽。而电压过高则会产生大量氧气泡粘附于阳极，降低表面平整度。表2为电压对抛光的影响，抛光时电压以7V左右适宜。
表2 电压对抛光的影响
最先运用的电化学抛光是碱性BIytal法，该法操作温度高、化学腐蚀强、铝材损耗大，溶液易失效，20世纪80年代后已很少采用。目前，国内主要采用三酸法(磷酸、硫酸和铬酸法)，但其溶液毒性大、生产成本高、工作环境差。因此，研究新的无铬环保抛光工艺势在必行。碱性体系抛光铝材具有较好的效果，通过选用新的添加剂，操作条件可进一步简化，抛光效果也可得到进一步改善。
1 试验
(1)对工业纯铝进行机械打磨，并裁成15mm × 20 mm固定在玻璃板上。
(2)进行化学除油，工艺条件为10 g/L Na2SO3， 20～40 g/L NaOH， 20～30 g/L Na3PO4，温度40～60℃，时间2～8 min
(3)以不锈钢作阴极，铝作阳极，在搅拌状态下进行电化学抛光。
(4)经一定时间抛光后，将铝片迅速从槽中取出，断开电源，用自来水冲洗干净，晾干。
2 电化学抛光新工艺效果
在溶液中添加能吸附于金属表面的高分子有机物聚乙二醇，可以获得好的抛光效果，但该工艺还须加入其他几种添加剂(如酒石酸钠、葡萄糖酸钠等），条件较难控制。进一步的研究发现，用EDTA做光亮剂抛光铝材，效果较好，而且不需添加其他添加剂，工艺简化。
2.1 直流电解抛光
用直流法对铝材进行抛光发现，EDTA浓度、抛光电压和电流密度对抛光效果影响较大。
(1)光亮剂：光亮剂是影响抛光效果的关键因素，EDTA对抛光效果的影响见表1。
表1 光亮剂对抛光的影响
由表1可知，光亮剂浓度在25～40 g/L时内抛光效果都很好，操作简便、容易控制。
(2)抛光电压：只有当阳极达到钝化电位时，才可抑制电化学腐蚀，产生金属光泽。而电压过高则会产生大量氧气泡粘附于阳极，降低表面平整度。表2为电压对抛光的影响，抛光时电压以7V左右适宜。
表2 电压对抛光的影响
(3)电流密度：电流密度太小，抛光时间长，工作效率低；电流密度太大，因阳极钝化膜溶解过快易出现浸蚀。从表3可看出，抛光时电流密度应控制在14～24 A/dm2。
表3 电流密度对抛光的影响
2.2 周期换向电解抛光
用直流法抛光要不断搅拌电解液,同时还要求溶液温度高、电流密度大。为此,用周期换向电流对铝材进行抛光，以进一步改善抛光效果。以下是获得的最佳工艺条件：
NaOH 12 g/L
EDTA 10 g/L
正向电压 15 V
负向电压 10 V
电流密度 14～16 A/dm2
电流换向频率 1Hz
抛光温度 40℃
工作比 90%
在此条件下抛光18～20 min铝表面反射率为90%，溶解损耗为0.0101 g/cm2。
由此可见，采用周期换向电流抛光可进一步降低抛光温度，减少铝材损耗。原因是：①抛光时阳极上生成的氧气泡会黏附在铝片上，使抛光速度变慢并出现毛刺。采用周期换向电流，铝周期性地变为阴极，可将黏着的氧气泡赶跑，提高整平效果；②由于铝的溶解，阳极扩散层中Al3+浓度可达到过饱和而析出疏松的Al(OH)3颗粒于阳极表面，导致抛光效果下降：AlO2-+2H2O=Al(OH)3↓+OH -。为此，须不断搅拌并升高溶液温度以降低其饱和度。采用周期换向电流，铝周期性地变成阴极，对AlO2-产生排斥作用，从而降低扩散层中Al3+浓度，抑制A l(OH)3的生成，改善抛光效果。
将上述新工艺抛光效果与“Brytal”法对比，结果见表4。
表4 新工艺与“Brytal”法抛光结果对比
从表4可见，在碱性条件下以EDTA为光亮剂抛光铝材，获得的表面平整度高；由于溶液温度降低1倍，能耗及成本可大幅度减小；尤其是抛光温度降低后，碱液挥发和腐蚀变小，工作环境得到明显改善，同时铝溶解损耗也相应降低。
3 结论
(1)在碱性条件下选用EDTA作光亮剂抛光铝材可简化抛光工艺，提高抛光效果，降低操作温度，改善工作环境。
(2)直流电解抛光的最佳工艺条件是：光亮剂25～40 g/L，电流密度20 A/dm2、电压7V、溶液温度45～50℃。在此条件下抛光得到的铝材表面反射率为88%～90%，铝溶解损耗为0.0182 g/cm2。
(3)采用周期换向电流抛光可进一步降低抛光温度至40℃，铝材损耗减少为0.0101 g/cm2。
(4)以EDTA为光亮剂的碱性电化学抛光在生产成本、操作环境和抛光效果等方面均优于传统碱性电化学抛光。
表3 电流密度对抛光的影响
2.2 周期换向电解抛光
用直流法抛光要不断搅拌电解液,同时还要求溶液温度高、电流密度大。为此,用周期换向电流对铝材进行抛光，以进一步改善抛光效果。以下是获得的最佳工艺条件：
NaOH 12 g/L
EDTA 10 g/L
正向电压 15 V
负向电压 10 V
电流密度 14～16 A/dm2
电流换向频率 1Hz
抛光温度 40℃
工作比 90%
在此条件下抛光18～20 min铝表面反射率为90%，溶解损耗为0.0101 g/cm2。
由此可见，采用周期换向电流抛光可进一步降低抛光温度，减少铝材损耗。原因是：①抛光时阳极上生成的氧气泡会黏附在铝片上，使抛光速度变慢并出现毛刺。采用周期换向电流，铝周期性地变为阴极，可将黏着的氧气泡赶跑，提高整平效果；②由于铝的溶解，阳极扩散层中Al3+浓度可达到过饱和而析出疏松的Al(OH)3颗粒于阳极表面，导致抛光效果下降：AlO2-+2H2O=Al(OH)3↓+OH -。为此，须不断搅拌并升高溶液温度以降低其饱和度。采用周期换向电流，铝周期性地变成阴极，对AlO2-产生排斥作用，从而降低扩散层中Al3+浓度，抑制A l(OH)3的生成，改善抛光效果。
将上述新工艺抛光效果与“Brytal”法对比，结果见表4。
表4 新工艺与“Brytal”法抛光结果对比
从表4可见，在碱性条件下以EDTA为光亮剂抛光铝材，获得的表面平整度高；由于溶液温度降低1倍，能耗及成本可大幅度减小；尤其是抛光温度降低后，碱液挥发和腐蚀变小，工作环境得到明显改善，同时铝溶解损耗也相应降低。
3 结论
(1)在碱性条件下选用EDTA作光亮剂抛光铝材可简化抛光工艺，提高抛光效果，降低操作温度，改善工作环境。
(2)直流电解抛光的最佳工艺条件是：光亮剂25～40 g/L，电流密度20 A/dm2、电压7V、溶液温度45～50℃。在此条件下抛光得到的铝材表面反射率为88%～90%，铝溶解损耗为0.0182 g/cm2。
(3)采用周期换向电流抛光可进一步降低抛光温度至40℃，铝材损耗减少为0.0101 g/cm2。
(4)以EDTA为光亮剂的碱性电化学抛光在生产成本、操作环境和抛光效果等方面均优于传统碱性电化学抛光。
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