铝及铝合金化学抛光工艺的比较
铝及铝合金化学抛光工艺的比较
张浩 屠炳林 王灿 刘传烨 沈文莹 朱莉
（1．武汉材料保护研究所，湖北武汉430030；2．江苏省吴江市东方铝业有限公司，江苏吴江215234）
（1．武汉材料保护研究所，湖北武汉430030；2．江苏省吴江市东方铝业有限公司，江苏吴江215234）
摘要：介绍了常用的几种化学抛光工艺及其特点。对几种化学抛光工艺进行了比较，并通过实验及应用发现：“两酸”化学抛光工艺对材料很敏感，而“三酸”化学抛光工艺适用材料广泛；指出改性“三酸”化学抛光工艺能有效控制黄烟的排放，保持传统“三酸”化学抛光工艺的各项优点。
引言
铝是最重要的有色金属材料之一，在诸多领域得到广泛应用。为了满足不同的应用需求，要求铝制品具有不同的表面效果，如柔和砂面或光亮镜面，抛光就是获得光亮镜面的重要手段。
虽然机械抛光可以获得平整光洁的表面，但由于在机械抛光过程中，铝制品表面受压力和局部高温作用，晶格变形，如不经化学抛光直接进行阳极氧化，就不能得到反光系数较高的氧化膜层，难以取得理想的光亮度，所以机械抛光后，必须进行化学抛光或电化学抛光，除去表面晶体变形层，才能获得表面装饰性良好的优质膜层。
电化学抛光较之化学抛光，可获得更高的表面光洁度，但由于化学抛光不需要电源，设备简单、效率高、成本低，免除了制件装挂的繁琐，更不受制件形状和尺寸的限制，特别是对尺寸小或形状复杂的零件不能进行其他形式抛光时，采用化学抛光能取得均匀光亮的表面。因而，对光洁度没有特殊要求的铝制品，采用化学抛光完全可以满足产品质量要求。
化学抛光基本上有三种工艺：“三酸”抛光、“两酸”抛光、改性三酸抛光。下面将一一介绍和实验比较。
1 工艺情况介绍
1.1 传统三酸抛光
目前，在工业上化学抛光液最普通的组分是以磷酸、硫酸、硝酸组成的抛光液。传统型抛光工艺就是由磷酸、硫酸、硝酸组成的“三酸”化学抛光液，该工艺技术成熟，抛光效果好，可达95%～97%的镜面反射率（按电化学抛光100%计），铝材适用范围广，可用于纯Al和含铜量较低的各种规格的铝材。但该化学抛光液中含有HNO3，在化学抛光过程中会产生大量的氮氧化合物NOx（主要是NO和NO2）气体，俗称“黄烟”。“黄烟”的严重污染性，使工作环境严重恶化，限制了该工艺的应用。现在为减少黄烟量，许多厂家也采用了低硝酸配方，但同时也带了抛光液不稳定和抛光质量下降等问题。
由于“三酸”抛光成本低，效果好，目前仍有少数厂家采用此工艺。
1.2 “两酸”抛光
从20世纪70年代开始、日本、美国、前苏联等工业发达国家纷纷投入大批人力物力研究不含HNO3的“两酸”抛光工艺，我国从20世纪80年代开始开发不含HNO3的无黄烟化学抛光工艺，期间陆续有文章报导，这些研究成果有的已在生产实践中得以应用，有的还具有了一定的规模。
“两酸”抛光工艺均无HNO3成分，根除了NOx污染源，不存在废气处理，基础液均为H3PO4—H2SO4酸性体系并配以各自的添加剂。
我们在20世纪90年代初开发出了PG-98型“两酸”化学抛光添加剂，在多年的实际应用中发现，在纯铝上效果最好，有电抛光的96%的反射率，与“三酸”抛光相近，但是对杂铝效果较差，只有“三酸”抛光的95%左右。只有高纯铝才有可能达到最好水平，杂质成分较高时难以达到理想的效果。我们据此又进行了大量的工作，对国外专利及文献进行大量检索，发现现在国外几乎没有突破性的“两酸”抛光工艺出现。
1.3 改性三酸抛光
目前国内大多铝制品厂出于节约原材料和降低能耗的目的，采用废铝回收的方法加以利用，使得很多铝材中杂质含量相对较高，这样的“杂铝”给抛光带来很大的困难，影响了抛光质量，从而使得“两酸”抛光的质量很不稳定。
为此，在传统的含硝酸“三酸”抛光液基础上部分企业开发出三酸抛光添加剂，使抛光生产中产生的NOx转化为无毒物质，达到控制“黄烟”的目的。我们研制了PG-02三酸型添加剂，其中主要由NOx转化吸收剂、相转化剂和铝表面增稠剂等组分组成。通过实际运用发现：改性三酸抛光不仅有效地控制了“黄烟”的排放，而且可以保持“三酸”抛光工艺的各项优点。
2 实验比较
我们将开发的改性“三酸”抛光工艺与传统“三酸”抛光工艺、我们自有的“两酸”抛光和电抛光工艺在同等工艺条件下进行比较，并对结果进行了分析。
(1)实验材料：纯Al(LD31)、杂铝（成都卷闸门三厂）、磷酸（工业）、硫酸（工业）、硝酸（工业）、NaOH(工业)、Na2P2O7（工业）、LSF-86常温封孔剂（自备）、LC-96常温碱性脱酯剂（自备）、PG-02三酸添加剂（自备）、PG-98两酸添加剂（自备）。
(2)测试仪器：930型荧光光度计。
(3)材料处理步骤：脱脂→水洗→碱蚀→水洗→出光→水洗→抛光→水洗→阳极氧化→水洗→常温封孔。
(4)前后处理工艺见表1。
虽然机械抛光可以获得平整光洁的表面，但由于在机械抛光过程中，铝制品表面受压力和局部高温作用，晶格变形，如不经化学抛光直接进行阳极氧化，就不能得到反光系数较高的氧化膜层，难以取得理想的光亮度，所以机械抛光后，必须进行化学抛光或电化学抛光，除去表面晶体变形层，才能获得表面装饰性良好的优质膜层。
电化学抛光较之化学抛光，可获得更高的表面光洁度，但由于化学抛光不需要电源，设备简单、效率高、成本低，免除了制件装挂的繁琐，更不受制件形状和尺寸的限制，特别是对尺寸小或形状复杂的零件不能进行其他形式抛光时，采用化学抛光能取得均匀光亮的表面。因而，对光洁度没有特殊要求的铝制品，采用化学抛光完全可以满足产品质量要求。
化学抛光基本上有三种工艺：“三酸”抛光、“两酸”抛光、改性三酸抛光。下面将一一介绍和实验比较。
1 工艺情况介绍
1.1 传统三酸抛光
目前，在工业上化学抛光液最普通的组分是以磷酸、硫酸、硝酸组成的抛光液。传统型抛光工艺就是由磷酸、硫酸、硝酸组成的“三酸”化学抛光液，该工艺技术成熟，抛光效果好，可达95%～97%的镜面反射率（按电化学抛光100%计），铝材适用范围广，可用于纯Al和含铜量较低的各种规格的铝材。但该化学抛光液中含有HNO3，在化学抛光过程中会产生大量的氮氧化合物NOx（主要是NO和NO2）气体，俗称“黄烟”。“黄烟”的严重污染性，使工作环境严重恶化，限制了该工艺的应用。现在为减少黄烟量，许多厂家也采用了低硝酸配方，但同时也带了抛光液不稳定和抛光质量下降等问题。
由于“三酸”抛光成本低，效果好，目前仍有少数厂家采用此工艺。
1.2 “两酸”抛光
从20世纪70年代开始、日本、美国、前苏联等工业发达国家纷纷投入大批人力物力研究不含HNO3的“两酸”抛光工艺，我国从20世纪80年代开始开发不含HNO3的无黄烟化学抛光工艺，期间陆续有文章报导，这些研究成果有的已在生产实践中得以应用，有的还具有了一定的规模。
“两酸”抛光工艺均无HNO3成分，根除了NOx污染源，不存在废气处理，基础液均为H3PO4—H2SO4酸性体系并配以各自的添加剂。
我们在20世纪90年代初开发出了PG-98型“两酸”化学抛光添加剂，在多年的实际应用中发现，在纯铝上效果最好，有电抛光的96%的反射率，与“三酸”抛光相近，但是对杂铝效果较差，只有“三酸”抛光的95%左右。只有高纯铝才有可能达到最好水平，杂质成分较高时难以达到理想的效果。我们据此又进行了大量的工作，对国外专利及文献进行大量检索，发现现在国外几乎没有突破性的“两酸”抛光工艺出现。
1.3 改性三酸抛光
目前国内大多铝制品厂出于节约原材料和降低能耗的目的，采用废铝回收的方法加以利用，使得很多铝材中杂质含量相对较高，这样的“杂铝”给抛光带来很大的困难，影响了抛光质量，从而使得“两酸”抛光的质量很不稳定。
为此，在传统的含硝酸“三酸”抛光液基础上部分企业开发出三酸抛光添加剂，使抛光生产中产生的NOx转化为无毒物质，达到控制“黄烟”的目的。我们研制了PG-02三酸型添加剂，其中主要由NOx转化吸收剂、相转化剂和铝表面增稠剂等组分组成。通过实际运用发现：改性三酸抛光不仅有效地控制了“黄烟”的排放，而且可以保持“三酸”抛光工艺的各项优点。
2 实验比较
我们将开发的改性“三酸”抛光工艺与传统“三酸”抛光工艺、我们自有的“两酸”抛光和电抛光工艺在同等工艺条件下进行比较，并对结果进行了分析。
(1)实验材料：纯Al(LD31)、杂铝（成都卷闸门三厂）、磷酸（工业）、硫酸（工业）、硝酸（工业）、NaOH(工业)、Na2P2O7（工业）、LSF-86常温封孔剂（自备）、LC-96常温碱性脱酯剂（自备）、PG-02三酸添加剂（自备）、PG-98两酸添加剂（自备）。
(2)测试仪器：930型荧光光度计。
(3)材料处理步骤：脱脂→水洗→碱蚀→水洗→出光→水洗→抛光→水洗→阳极氧化→水洗→常温封孔。
(4)前后处理工艺见表1。
表1 前后处理工艺
(5)四种抛光工艺条件见表2，各配方组成均为体积比。
表2 四种对比抛光工艺条件
(6)对比抛光实验结果见表3。
表3 抛光实验结果
注：在阳极氧化前测试，以电化学抛光所取得最佳反射率为100%。
(7)结果分析：铝制品的化学成分与金相结构对化学抛光的质量有极大影响，一般来讲，铝的纯度越高，晶粒越细，则抛光质量越佳，铝合金随合金成分增加，其化学抛光质量变坏。硝酸在抛光的整平过程中占有相当重要的地位，其含量与化学抛光质量有重要关系，含量少时会使铝件表面结晶腐蚀，降低其光亮度。硝酸还有活化剂的作用（使腐蚀电流跃增），加强了凸起处金属选择性溶解的趋势，改善整平和减轻气泡缺陷。我们还认为高温下Cu、Si等杂质在HNO3中的溶解度远大于H3PO4—H2SO4体系，则在含有HNO3的抛光液中抛光时，凸起部分的杂质溶解率相对变大，有利于整平。
3 小结
改性“三酸”抛光工艺在保持了传统“三酸”抛光工艺的各项优点的同时，有效地控制了“黄烟”的排放，改善了工作环境，节约了治理费用，并能在合金成分含量较高的铝合金表面获得较“三酸”抛光工艺相同的抛光效果，必将在铝加工行业中得到进一步应用。
表3 抛光实验结果
注：在阳极氧化前测试，以电化学抛光所取得最佳反射率为100%。
(7)结果分析：铝制品的化学成分与金相结构对化学抛光的质量有极大影响，一般来讲，铝的纯度越高，晶粒越细，则抛光质量越佳，铝合金随合金成分增加，其化学抛光质量变坏。硝酸在抛光的整平过程中占有相当重要的地位，其含量与化学抛光质量有重要关系，含量少时会使铝件表面结晶腐蚀，降低其光亮度。硝酸还有活化剂的作用（使腐蚀电流跃增），加强了凸起处金属选择性溶解的趋势，改善整平和减轻气泡缺陷。我们还认为高温下Cu、Si等杂质在HNO3中的溶解度远大于H3PO4—H2SO4体系，则在含有HNO3的抛光液中抛光时，凸起部分的杂质溶解率相对变大，有利于整平。
3 小结
改性“三酸”抛光工艺在保持了传统“三酸”抛光工艺的各项优点的同时，有效地控制了“黄烟”的排放，改善了工作环境，节约了治理费用，并能在合金成分含量较高的铝合金表面获得较“三酸”抛光工艺相同的抛光效果，必将在铝加工行业中得到进一步应用。
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