铝材光亮砂面工艺


一、概述

铝合金光亮酸性砂面技术是在我院研制的普通酸蚀、化学磨砂的基础,成功开发出的一项前沿技术。

铝合金光亮酸性砂面技术彻底解决了酸蚀砂面材发暗的世界难题,是现有普通碱蚀、普通酸蚀、低温抛光等多项铝表面前处理的升级换代技术;不仅能生产平光材和喷砂材,还能生产一种全新的光亮酸蚀磨砂材。该技术的大面积运用将对我国铝材加工企业产生广泛而深远的影响。

铝合金酸蚀技术以其去机械纹能力强、起砂快、铝耗低等诸多优势,在不到一年的时间内,迅速取代碱蚀,成为目前铝合金氧化前处理的主流生产工艺。然而,自该技术推广之日起,铝合金表面发暗的问题一直困绕着生产厂家,也影响了产品档次。为了克服上述缺陷,大部分厂家都配备了碱蚀槽和中和槽,即便如此,酸蚀材仍然比碱蚀材要暗得多,没有根本解决问题。此外,令铝合金表面发暗的酸蚀灰十分顽固,即使经过碱蚀槽、出光槽和氧化槽,也不能完全除掉,仍然会被带进着色槽和电泳槽,使着色材挂灰、电泳材缩孔,许多铝合金厂不得不重新启用碱槽。铝合金光亮酸性砂面技术作为一种铝合金表面处理的前沿技术,是对酸蚀槽液进行深刻改造后,配备砂面抛光槽和平光抛光槽,对酸蚀材进行光亮处理,不仅保留了酸蚀去机械纹能力强、起砂快、铝耗低的优点,而且能彻底清除酸蚀灰,解决酸蚀材表面发暗和着色槽、电泳槽被污染的弊端,是一项难得的技术突破。同时,机械喷砂材也存在表面挂灰和发暗的问题,同样需要进行光亮处理。经酸性砂面工艺处理的砂面材,表面无纹、无灰、细砂、亮丽。另外,由除油脱蜡液进行除油、去膜、增亮和除灰,可以取代低温抛光槽,以及三合一槽,生产平光材。可以预见,随着光亮酸性砂面技术的迅速普及,我国砂面铝合金的国际竞争能力有望得到迅速提升。

近几年来,我院研发部门对铝合金阳极氧化前处理各项传统工艺,如碱蚀、酸蚀、三酸抛光等进行了详细研究,结果发现:

1、光亮度方面:三酸抛光液中,由于硝酸等强氧化剂的存在,使铝合金表面很容易被氧化出一层含致密氧化铝的钝化层,据此形成镜面,因而三酸抛光最亮;碱蚀无钝化作用,没有抛光效果,但却能保留金属色;酸蚀最暗,铝合金表面被一层酸蚀灰覆盖,完全没有金属光泽。

2、去机械纹方面:普通酸蚀液中,反应产物粘附在铝合金表面并填平机械纹沟底,沟底的铝合金与酸蚀液完全隔绝,反应速度近乎为零,而沟表面的粘附产物较薄,酸蚀液可与铝合金接触,反应可快速进行。这样,沟表面与沟底产生了很大的反应速度差,从而实现了最强的去机械纹能力;碱蚀也具备较强的去机械纹能力,但利用的是粘性理论,即沟底的铝离子浓度高于沟表面的铝离子浓度,决定了沟表面的反应速度快于沟底的反应速度,从而实现了后车追上前车,消除机械纹的目的。由于沟底的反应速度只是被减缓,而不是像酸蚀那样被彻底抑制,因而碱蚀去机械纹能力比酸蚀弱得多,且铝耗是酸蚀的五倍以上。三酸抛光含有一定浓度的强氧化剂,使铝合金表面产生钝化膜,因而不具备去机械纹能力。

3、砂面作用:酸蚀与碱蚀形成砂面的机理不同,因而生成的砂粒各异。在酸蚀液中,以阴极(Mg2Si,Al2Fe3Si)为中心,与之周边相邻的阳极相(纯铝相)被不断溶解,铝离子进入槽液,形成砂坑;同时,氟离子有可能与一些金属阳离子络合,借助氟作为运载工具,在阴极相析出,形成砂峰;由此可见,阴极相是形成砂粒的砂源,其在合金中的均匀、细腻的分布程度直接决定酸蚀砂面的外观质量;为此,国内很多厂家采用掺复锭的方法,在不超标的前提下,适当增加合金元素含量,形成均匀细腻的阴极相,从而生产出比仅用纯铝锭漂亮得多的酸蚀砂面材。在碱蚀液中,铝的反应方式略有不同。首先,按原电池原理,阴极相周围的纯铝相(阳极相)被不断溶解,形成砂坑;但由于没有氟离子作为运载工具,阴极相区域没有析出,不能形成较尖的砂峰;另外,在碱性条件下,由于没有像酸性条件下的钝化反应制约,碱蚀反应可以毫无障碍地快速进行,相邻砂坑可能连通,形成较大砂坑;因此,碱蚀砂因其砂峰不尖,砂坑过大而远没有酸蚀砂漂亮!三酸抛光是在酸性条件下进行,强氧化剂的存在使铝合金表面的钝化反应非常明显,几乎无法起砂和去机械纹。

4、综合成本对比:三酸抛光成本最高。因为滴流时间不能超过40秒,大量的抛光液被带进水洗槽(500Kg/吨材),既增加了废水处理成本,又使抛光成本非常昂贵;此外,黄烟的处理需要很大的设备投资,并需要大量的处理费用;另外,抛光材成品率不高,进一步增加了生产成本。尽管碱蚀磨砂消耗的药剂成本不高,但需要损耗40-50Kg/吨材,800-1000元,并且还需增加额外废水处理费用。普通酸蚀磨砂药剂消耗成本较低,约300/吨材,铝耗也很低,约8-10Kg/吨材。从综合成本考虑,三酸抛光最贵,碱蚀次之,酸蚀最低。

5、外观质量对比:就亮度而言,三酸抛光最亮,碱蚀次之,酸蚀最暗;从砂面来看,酸蚀砂均匀细腻,碱蚀砂粗大不匀;三酸抛光基本不起砂;同样,酸蚀去机械纹的能力是碱蚀的三倍以上,而三酸抛光没有去线纹能力。

6、和酸蚀对比:“铝合金光亮酸蚀工艺”采用四槽方式对铝合金进行酸蚀,其中光亮酸蚀和砂面抛光两个槽子的作用就是起砂和促使砂面提高亮度。能否采用一个槽处理就能达到要求。经我院不断深入研究终于开发出集起砂、光亮于一身的“铝材光亮酸砂剂”,铝合金光亮酸性砂面工艺中光亮酸砂槽集去纹、起砂、除灰、抛光于一身,对于部分铝材表面处理,可以简化“铝合金光亮酸蚀工艺”中的砂面抛光步骤,减少了原料成本(750/吨材)和生产成本。为铝材表面处理工序的减化和节约资源作出了更重要的贡献。

二、工艺说明如下

1)除油脱蜡槽:此除油槽不同于一般的酸性除油剂,除了脱脂、脱蜡功能外,还可脱自然氧化膜,去表面毛剌,并进行低温抛光;由除油脱蜡槽、砂面抛光和平光抛光槽组合,可实现迄今为止能力最强的低温抛光功能,生产光亮酸蚀平光材;

2)光亮酸砂槽:此槽是在现有酸蚀槽的基础上添加特殊的添加剂改造而成,保留原有抽渣设备不变,不需额外加温和降温。光亮酸蚀与普通酸蚀有本质的不同。首先,普通酸蚀去机械纹及表面瑕疵的能力较弱,经光亮处理后,表面缺陷暴露无余。光亮酸蚀极大限度提高了酸蚀槽的能力,能在相同或更短的时间内完全消除表面缺陷;其次,铝合金经普通酸蚀处理后表面很暗,要除灰和增亮,难度很大,增加了砂面抛光槽和平光抛光槽的压力。除了延长抛光时间外,还增加了砂面抛光剂和平光抛光剂的药剂消耗。光亮酸蚀在提高酸蚀能力的同时,能使铝合金底色发青、发亮,为以后的砂面抛光和平光抛光工序打下良好基础。

3)砂面抛光槽:砂面抛光是一种全新的表面处理概念,是对酸蚀技术的深刻改造和变革调整。铝合金经酸蚀后,不是过碱槽,而是砂面抛光槽,对酸蚀材进行除灰、抛光,既保留了酸蚀材的细砂,无纹和低铝耗,又增加了光亮度和金属色,光亮酸蚀和砂面抛光技术的接合,能生产出一个新的铝材种——表面无纹、细砂、光亮、保留金属色的光亮酸蚀磨砂材。此外,砂面抛光槽可对喷砂材增亮,提高喷砂材档次,生产光亮酸蚀喷砂材。砂面抛光槽在普通防腐槽内开槽,不加温,不降温,不抽渣,少量酸渣结晶于槽底,年底清槽。

4)平光抛光槽:设置本槽有两大目的,即对经砂面抛光处理的铝合金进行平光抛光和精除灰。

A、平光抛光:平光抛光槽既能生成一定厚度的氧化膜,又能大幅增加铝合金亮度。由于阳极氧化使经砂面抛光处理后的铝合金失光,先进行平光抛光处理,表面先形成一层致密氧化层,将光泽固定下来,然后再进行阳极氧化,大幅降低失光;另外,铝合金从砂面抛光到阳极氧化之前,需多道水洗,并有可能在空中或水洗槽滞留,产生点蚀,若先过平光抛光槽,预制一定厚度的化学氧化膜,先行保护起来,从而避免氧化之前在水洗槽中产生点蚀或花材,提高成品率。

B、精除灰:酸蚀灰很顽固,一般方法很难清除,能严重影响酸蚀材的外观质量。尽管砂面抛光槽能清除绝大部分酸蚀灰,但在某些特殊条件下,仍可能有少量残留。平光抛光槽能彻底清除酸蚀灰,从而保证铝合金质量,并彻底杜绝了酸蚀灰对着色槽和电泳槽的污染。

5)水性有机封孔槽:对于部分不需要阳极氧化的铝合金材料,可以采用“水性有机封孔剂”直接封孔出厂,“水性有机封孔剂”能在铝材表面形成一层坚固耐蚀、高硬度(3H)、抗手印、抗划伤膜层,在保证各项优异性能的同时增加底材的光泽度。

3、操作方式:铝合金经1-4分钟除油、经一道水洗后进光亮酸蚀槽,反应4-12分钟后,不用水洗,直接进砂面抛光槽(选择性使用该槽),反应3-9分钟,经一道水洗,进平光抛光槽,反应3-7分钟后,经两道水洗,即可进阳极氧化槽或水性有机封孔槽,完成表面前处理。

三、铝合金光亮酸性砂面工艺特点

铝合金光亮酸性砂面工艺由除油脱蜡、光亮酸砂、砂面抛光和平光抛光四道工序组成,除油脱蜡槽负责脱脂、脱蜡、去自然氧化膜;光亮酸砂槽负责去纹、起砂和调整铝合金底色至初步发青发亮;砂面抛光槽负责除掉酸蚀灰和对砂面材进行低温抛光;平光抛光槽负责进一步增加亮度和精除灰,并固定铝合金金属光泽。四道工序互相依存、互相配合,组成一套完整且严密的光亮酸蚀技术。

本套技术的核心是光亮酸蚀砂面、磨砂材低温抛光及平光材低温抛光。即由除油脱蜡槽、光亮酸砂槽、砂面抛光槽和平光抛光槽组合可生产光亮酸蚀磨砂材;由砂面抛光槽(或光亮酸蚀槽)和平光抛光槽组合可生产光亮酸蚀喷砂材;由除油脱蜡槽和平光抛光槽组合可生产光亮酸蚀平光材。本套技术的使用,可使碱槽彻底退出生产过程(仅保留作退自然氧化膜用),大大降低铝耗。本技术与着色、电泳等后处理技术的接合,能生产出迄今为止最亮丽的光亮酸蚀磨砂(着色、电泳)铝合金。

1、提出一套完整的四槽组合技术,完全用酸性方法处理铝合金,涵盖低温条件下的所有氧化前处理工艺。虽然传统碱蚀方法也可以生产磨砂材、平光材和喷砂材,但过高的铝耗、亮度不够和砂粒太粗,使其逐步被取代;普通酸蚀不能生产平光材,而一般低温抛光又不能生产磨砂材。本套技术,由除油脱蜡槽、光亮酸砂槽、砂面抛光槽和平光抛光槽组合,可生产光亮酸蚀磨砂材;由除油脱蜡槽和平光抛光槽组合,可生产光亮酸蚀平光材;由砂面抛光槽和平光抛光槽组合,能生产光亮酸蚀喷砂材。由于这些铝合金都是在酸性条件下生产,且又经历过抛光过程,均具有低铝耗、高亮度的特征。

2、提出光亮酸砂的概念,铝合金在去纹,起砂的同时,底色已发青发亮。普通酸蚀槽,其功能仅限于起砂和去纹,铝合金底色呈灰白色,十分难看。本公司对酸蚀槽进行了深刻改造,成功开发出铝材光亮酸砂剂,使铝合金在酸蚀的同时,底色已发青发亮!

3、提出砂面抛光的概念,集除灰和抛光于一槽,实现了彻底清除酸蚀灰的重大技术突破,同时还获得了砂面材的低温抛光效果。自从酸蚀砂面技术问世以来,如何清除酸蚀灰,是铝加工行业面临的一个十分令人头痛的问题。尽管提出了许多解决方案,但都不能从根本上解决问题,不得已延用碱槽和中和槽,既增加了铝耗,又没有彻底解决酸蚀灰问题。砂面抛光剂的应用,使绝大部分酸蚀灰得以清除,铝合金恢复了金属色,并获得了相当程度的抛光效果。

4、提出了平光抛光的概念,将铝合金抛光后的亮度先行固定下来,有效降低阳极氧化失光。阳极氧化造成抛光材失光,是铝加工行业的共识,一般都是在阳极氧化槽本身寻找降低失光的途径,很难有大的技术突破。我院在阳极氧化槽以外寻找解决失光问题途径:即借用洗相术中定影的技术思路,设法让铝合金的抛光亮度先行固定下来,然后再进行阳极氧化,有效降低亮度损失。即在砂面抛光槽和阳极氧化槽之间设置平光抛光槽,对抛光材先进行不失光(反而增光)的化学氧化,使铝合金表面生成一层非常致密的化学氧化膜,将亮度先固定下来,然后再进行阳极氧化,有效降低失光;对许多工业材和室内装修材而言,只需进行有机封孔就可出厂,抛光亮度可100%保留!

四、光亮酸性砂面技术与其它氧化前处理技术比较

目前,现有的铝合金阳极氧化前处理方法主要包括碱蚀磨砂、碱蚀平光、酸蚀磨砂、镜面抛光、三酸抛光等几种技术。与上述几种技术相比,经常温光亮酸性砂面技术处理过的铝合金,表面平整、光亮,更加美观。常温光亮酸性砂面技术与其它处理技术相比有下述优势:

1、碱蚀磨砂:碱蚀磨砂作为一种传统处理技术,一直存在着腐蚀时间长(15分钟)、铝耗高(50公斤)、碱耗高(50公斤),废水处理量太大等弊端。不仅如此,尽管付出如此高昂的代价,碱蚀砂面铝合金表面还是砂粒太粗,机械纹不能完全除掉。因此,碱蚀砂面技术对模具要求非常高,一套模具大约只能挤压八吨材。光亮酸性砂面技术既具有酸蚀时间短(8-10分钟)、铝耗低(8-10公斤)、酸渣可回收、废水少的优点,又具备普通酸蚀磨砂技术起砂快、去机械纹能力强、对模具要求不高(一套模具能挤压16吨材)的能力,还添加了磨砂材低温抛光功能,使得铝合金表面细砂、无纹、光亮。从综合成本角度分析,光亮酸蚀比碱蚀磨砂成本相当;从铝合金表面质量看,明显高一个档次。

2、普通酸蚀磨砂:酸蚀磨砂技术具有去机械纹能力强、起砂快、铝耗低的优点,但由于铝合金经酸蚀处理后,表面附着大量酸蚀灰,不得以仍须过碱蚀槽和中和槽,以便清除部分酸蚀灰;尽管如此,还残存着一些十分顽固的酸蚀灰,使铝合金表面发暗,并且污染着色槽和电泳槽。光亮酸性砂面技术不仅保留了酸蚀去机械纹能力强、起砂快、铝耗低的优点,而且能彻底清除酸蚀灰,从根本上解决酸蚀材表面发暗、着色槽、电泳槽被污染的问题。经光亮酸性砂工艺处理的铝合金,既恢复了金属色,又显示出相当程度的低温抛光效果。

3、碱蚀平光:(碱性脱脂)碱蚀平光是铝合金表面前处理的最古老的技术之一,一直沿用至今。该技术只有两种功能,即除油和脱自然氧化膜。但为此也付出了12-15公斤的铝耗。常温光亮酸性砂面技术除了具有除油、脱膜功能外,还具备低温抛光功能,能对铝合金进行低温抛光;此外,铝耗也只有3公斤左右;

4、镜面抛光:镜面抛光具有铝耗低、可起砂、去机械纹、亮度超过三酸抛光的优点,但存在着对材质要求高(不能掺废铝)、药剂消耗较大(约250Kg)、工作温度高(110度)的缺点。光亮酸性砂面技术既能起砂、去机械纹,又能进行低温抛光,使铝合金恢复金属色。尽管其亮度比不上镜面抛光材,但仍具有工作温度低、砂粒比镜面抛光材均匀、细腻、机械纹去得彻底,且材质可掺废铝(约30%左右)等技术优势。

5、三酸抛光技术:三酸抛光具有铝耗低、铝合金表面能形成镜面的优点,但存在工作温度高(110度)、药剂消耗大(约500Kg)、不能起砂、不能去机械纹、严重污染环境的弱点,且综合成本太高;正因为如此,三酸抛光材的市场份额不足砂面材的十分之一。光亮酸性砂面技术能去机械纹、能起均匀、细腻亮砂的优点正好弥补了上述不足,且综合成本只有三酸抛光的一半。

6、与光亮酸蚀技术相比:常温光亮酸性砂面处理槽集合光亮酸蚀和砂面抛光起砂、调砂、抛光的优点。处理过的铝材其光亮度优于增亮酸蚀,一槽顶两槽用。