未来铝型材的发展趋势

铝合金在三氯化铁溶液中的砂面处理

吴天材

（华南理工大学化学系）

摘要：  铝合金的化学砂面处理溶液有多种，其中以三氯化铁溶液较为安全、经济。本文对三气化铁在不同条件（浓度、温度、时间）下，对铝合金的砂面作用进行了探讨，井确定了其合适的条件：FeCl₃ 0.6～1.0mol/l，20～50℃，5～20'min，同时对基体和溶液间各成份的化学作用进行了讨论。

  铝合金表面的砂面处理既可保持铝的金属光泽，又可使表面光线柔和、质感厚实，是表面处理常用的工艺之一。传统使用的高压空气喷砂工艺需辅助设备多，生产效率低。而化学砂面处理则设备简单、操作方便、生产效率高，是砂面加工的一种新工艺。

  常见的砂面处理剂有：氟硼酸系溶液、碱系溶液、氟氢化铵系溶液和三氯化铁系溶液等。其中三氯化铁(FeCl₃)来源方便、价格较低，为常用的金属腐蚀剂，本文对FeCl₃在铝合金的砂面处理中的作用进行了探讨，并优选砂面处理溶液的合适条件。

实验方法

1．砂面前处理

  将经机械加工后的铝合金试片进行碱除油及浸蚀(NaOH 80 g/l，30～50℃，0.5～1 min)，出光(HNO₃ 20%，室温，3～5 sec)。以除去表面的油污，氧化物，使表面清洁，不沾附其他杂质。

2．砂面处理

  将已处理干净的试片置于腐蚀液中进行砂面处理，试片经腐蚀液处理后，再经显砂液(NaOH 240g/l，30～50℃，0.5～1min)处理，则砂面效果更明显。

3．砂面后处理

  经砂面处理后的试片再经化学抛光(N₃PO₄ 75%，H₂SO₄ 15%，HNO₃ 10%，100～110℃，5～10 sec)使表面光泽增强，阳极氧化(H₂SO₄ 15%，20℃，1～2 A/dm²，30～40 min)及蒸馏水封闭(95～100℃，15 min)提高抗腐蚀性能，最后干燥，即成。

4．效果评定

  目测评定砂面的均匀度、砂粒（斑点腐蚀）的大小，称量测定腐蚀量。金相显微镜观，察、记录腐蚀结果。

结果与讨论

1.试件分别在FeCl₃浓度为0.2、0.6、1.0 mol/l的溶液中处理，开始温度20℃，时间15 min。结果如表1，图1。

  条件同上，试件分别在Fe₂(SO₄)₃ 0.5mol/l、Fe(NO₃)₃ 1.0 mol/l中处理，表面基本无变化。

  试件在CuCl₂ 0.5 mol/l溶液中处理，开始温度30℃，时间0.5～1 min亦可获得均匀的斑点腐蚀。

2．试件在FeCl₃为1.0 mol/l，时间10 min，在不同的起始温度下的腐蚀结果如表2、图2。

3．试件在FeCl₃为1.0 mol/l，起始温度30℃，腐蚀时间不同的结果如表3，图3。

  由以上实验结果可见：铝合金在FeCl₃为1.0 mol/l起始温度为30℃，腐蚀10～15 min可获得具有砂面效果的均匀斑点腐蚀。对三水平：FeCl₃浓度为0.2、0.6、1.0mol/l，起始温度为30、40、50℃，腐蚀时间为5、10、15 min。采用L₉(3⁴)表作正交试验。用腐蚀量和外观评分，结果进行极差分析表明，所选的最佳条件与上述结果一致。

4．在不同浓度的FeCl₃溶液中加入HCl、H₂O₂，起始温度为30℃获得均匀砂面的时间如表4、图4。

  铝合金的砂面处理是利用铝合金本身晶粒和晶间之间；以及铝合金中的α-固溶体和金属互化物如CuAl₂，Al₃Mg，Al₂CuMg，CuAl₅Mg₅之间在溶液中的电位差别所形成的微电池发生电化学腐蚀的结果。其中变形铝合金中的锻铝(LD)晶间腐蚀的倾向较强，效果较为明显。防锈铝（LF）由于α-固溶体和金属化合物AlMn的电位相近效果不佳。

  铝合金在腐蚀液中的电化学腐蚀优先于其化学溶解，即要使铝合金的斑点腐蚀优先于均匀腐蚀，同时又达到砂面效果。腐蚀的条件：溶液的浓度、起始温度、腐蚀时间都必须控制在一定的范围之内。实验表明：FeCl₃ 0.6～1.0 mol/l为宜，起始温度和腐蚀时间则视浓度而变化。浓度大，温度高，时间短，三者关系与化学反应的一般规律一致。腐蚀液加酸可以提高腐蚀速度，因为H⁺和Fe³⁺都是电化学腐蚀中的阴极去极化剂，它们能促使反应的进行。酸又能抑制Fe³⁺的水解，使溶液稳定性增加，避免由于水解生成难溶的氢氧化铁[Fe(OH)₃]阻碍微电池阳极的溶解，保证阴极去极化的顺利进行。H₂O₂亦是一个阴极去极化剂，同样能加速电化学腐蚀的进行;而且在溶液中又能把生成的Fe²⁺重新氧化为Fe³⁺，保持溶液腐蚀性能的稳定性。加酸和H₂O₂由于溶液稳定腐蚀速度增加所生成的斑点腐蚀砂粒较大。

  一些电位较Al³⁺高的离子如Cu²⁺亦可用于铝合金的砂面处理中。它在微电池阴极的去极化作用更强烈，可与Fe³⁺互相取代。由于Fe³⁺价廉且易于操作更宜用于实际。

  Cl^-是砂面腐蚀液中不可缺少的成分，它是一种阳极加速剂。这是基于Cl^-容易被吸附在具有氧化膜的电极表面，并能取代膜中的氧离子生成氯化物而溶解。对阳极有强烈的去钝化作用。在添加一定数量的H₂O₂时，Cl^-亦能使阳极不致于生成钝化膜。它在保证斑点腐蚀进行，获得砂面效果中起着重要的作用。SO₄^2-，NO₃^-等则阻碍阳极反应无砂面效果。

  由腐蚀量的测定可知，腐蚀量为2g/dm²左右即能保证获取均匀砂面而又不致造成过腐蚀，处理面积为1 dm²的铝试件约需FeCl₃ 35g。单独使用FeCl₃溶液处理时，FeCl₃浓度低于0.5 mol/l时，溶液需进行再生或补充消耗的FeCl₃。

结  论

  变形铝合金在FeCl₃为0.6～1.0 mol/l溶液中，开始温度20～50℃，处理5～20min，可使金属表面发生均匀的斑点腐蚀，有较为满意的砂面效果。处理时间随溶液浓度和起始温度不同而不同。加盐酸和过氧化氢能使溶液稳定，腐蚀速度增加。控制合适的条件和腐蚀量可应用于实际的砂面加工。