表面工程学结课报告 课程名称： 表面工程学 结课题目： 铝合金的阳极氧化 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 材料科学与工程专业 年 级： 学生姓名： 学 号： 日 期： 2014-2015第二学期 目 录摘要 11引言12铝及铝合金的主要特征13铝合金表面处理概论13.1铝合金表面处理的目的13.2铝合金表面处理的方法23.2.1表面机械处理23.2.2表面化学处理33.2.3表面电化学处理23.2.4喷涂高聚物34铝的表面处理方法与工艺流程34.1阳极氧化34.2铝材的化学预处理34.2.1脱脂44.2.2化学抛光44.2.3碱浸蚀44.3阳极氧化工艺45结语5参考文献6铝合金的阳极氧化摘 要:铝是有色金属中产量最多、运用最广的金属材料，具有优良的综合性能，但是在其表面的防护性、装饰性和功能性方面仍与国际先进水平有较大的差距。为了提高铝及铝合金材料的综合性能，延长使用寿命，铝的表面处理作为一项技术措施已经成为不可缺少的环节。关键词:铝及铝合金；表面处理；阳极氧化1引言铝及铝合金是除钢铁以外的用量最多的第二大类金属材料，其产量占有色合金的首位，地壳中的蕴藏量也占首位。铝及铝合金之所以能获得长足的发展和广泛应用，除了资源丰富、制取容易、成本低廉外，更主要的是它们具有一系列可贵的优点：密度小、比强度高；导电、导热性能好；抗腐蚀性好；加工性能好，强韧性好。与钢铁材料相比，铝的主要优点是质轻和耐腐蚀性。但是铝材的缺点也是很明显的。它的主要缺点是硬度低，耐磨性差，且由于铝的电极电位很负，与其他金属接触时，通常作为阳极易发生严重的电化学腐蚀，另外铝的线膨胀系数大而弹性模量小。为了改善铝的性能就需要对铝进行表面处理，以达到扩大铝的应用范围和延长使用时间的目的。2铝及铝合金的主要特征铝为面心立方结构金属，具有良好的良好的综合性能。密度小，比强度高。可以作为轻质结构材料，广泛应用于航天航空、高速列车、船舶车辆等工业部门。导电、导热性能好。纯铝和某些合金化程度较低的铝合金常被用来代替昂贵的铜，来制作输电电线、电缆或用于其他电器元件。抗腐蚀性好。基于这一特性，铝及铝合金广泛地用于管道、容器、餐具等石化工业和日常生活用品。加工性能好，强韧性好。铝及铝合金基体为面心立方结构，具有较高的塑性，易于压力加工成型；同时熔点低，熔体流动性好，具有良好的铸造性能。3铝合金表面处理概论3.1铝合金表面处理的目的表面工程是经表面预处理后，通过表面涂覆，表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需要表面性能的系统工程。铝合金表面处理的目的主要是要解决或者提高材料的防腐性、装饰性和功能性三方面的问题。防腐性：铝的腐蚀电位较负，腐蚀比较严重，特别是与其他金属接触时，极易发生电偶腐蚀现象。装饰性：从美观出发，提高材料的外观品质，如除去表面缺陷、不规则文理或挤压条纹、保持和提高金属的表面光亮度、赋予铝表面以各种颜色或各种纹饰等。功能性：赋予金属表面的某些化学或物理特性，比如增强硬度，提高耐磨性，或者赋予材料电磁、光电功能等。在实际应用中，单独解决某一方面的情况比较少，往往需要综合考虑三方面的要求。3.2铝合金表面处理的方法铝合金的表面处理方法可以分为：表面机械处理；表面化学处理；表面电化学处理；喷涂高聚物；其他物理方法处理。3.2.1表面机械处理表面机械处理通常只是作为预处理手段，铝及铝合金的外观和适用性在很大程度上取决于精饰前的表面预处理。机械处理一般分为：抛光、喷砂、刷光、滚光等方法。铝合金材料经过表面处理后，一般可以达到以下目的。提供良好的表面条件，提高表面的精饰质量。借助于机械处理可以获得平整、光滑的表面。提高产品品级。挤压铝型材采用机械磨光或抛光，可以消除挤压纹等缺陷，甚至能够获得如镜面般光亮的表面，极大地提高了产品的终极质量，初级产品可以跃升为高级产品。减少焊接的影响。由于铝制品焊接时易受到高温和焊料的影响，焊接处的显微金相组织往往发生变化，外观和色泽不一致，机械处理可以减少焊接的影响。产生装饰效果。通过一些特殊的机械处理方法如磨带砂磨、刷光等方法，在铝件上产生线条花纹等装饰效果。获得干净表面。经过机械处理后，可以获得无油污、无锈蚀、颜色光泽均匀一致，充分暴露铝基体的干净表面。3.2.2表面化学处理表面化学处理一般有化学预处理和化学转化处理。化学预处理可以使金属表面获得洁净、无氧化膜或光亮的表面状态，以保证和提高后续表面处理的质量。化学预处理包括脱脂、碱洗、酸洗、化学抛光等。化学转化处理既可以作为喷涂层的底层也可以是一种最终表面处理手段。包括铬化、磷铬化、无铬化学转化等。3.2.3表面电化学处理表面电化学处理中应用最广泛的是阳极氧化膜。阳极氧化主要有硫酸法，还有硝酸、铬酸、硬质、瓷质法等。为提高表面性能及耐蚀性能，常用的着色方法有电解着色法、化学着色法、自然着色法等。经过阳极氧化处理后的氧化膜，质硬，起到隔离腐蚀介质和防护装饰作用。阳极氧化膜的特点：高硬度。纯铝氧化膜的硬度比铝合金的氧化膜硬度高。阳极氧化膜不仅硬度高，且有较好的耐磨性。较好的耐蚀性。由于铝合金成分夹杂或形成金属化合物不能被氧化或被溶解，使得氧化膜不连续或产生空隙，从而使氧化膜的耐蚀性大为降低。较好的吸附能力。铝及铝合金的阳极氧化膜为多孔结构，具有很强的吸附能力。很好的绝缘性能。铝及铝合金的阳极氧化膜已经不具备金属的导电性能，成为了良好的绝缘材料。绝热抗热性能强。阳极氧化膜的导热系数大大低于纯铝。有机涂层和电镀层附着性强。功能性好。利用阳极氧化膜的多孔性，在微孔中沉积功能性微粒，可以得到各种功能性材料。3.2.4喷涂高聚物喷涂高聚物，目前工业上广泛采用的有机聚合物是聚丙烯酸树脂，聚酯，聚偏二氟乙烯等。4铝的表面处理方法与工艺流程4.1阳极氧化以铝和铝制品为阳极置于电解质溶液中，利用电解质作用使其表面形成氧化膜的过程，称之为铝和铝合金制品阳极氧化处理。阳极氧化是铝的一种“万能”的表面处理技术，也是目前工业上应用最广泛的，人们最熟悉的铝合金的表面保护技术。只要谈及铝材的表面处理，人们首先想到的就是阳极氧化。阳极氧化按照阳极氧化膜的结构可以分为壁垒型和多孔型两大类。阳极氧化膜作为铝材的一种保护手段，生成的是多孔型阳极氧化膜，而不是壁垒型阳极氧化膜。多孔型阳极氧化膜可以进行着色处理。按照性能和使用要求分别进行电解着色或染色处理。为了满足耐腐蚀性和耐候性等各种性能要求，通常必须进行多孔型膜的封孔处理。许多无机酸或有机酸溶液都可以作为阳极氧化的槽液，硫酸阳极氧化是最常用的阳极氧化工艺。4.2铝材的化学预处理阳极氧化工艺主要包括化学预处理、阳极氧化、电解着色、封孔或电泳涂漆等关键表面处理工序。铝材阳极氧化前进行的所有化学处理称为化学预处理，它是整个阳极氧化处理工艺过程的基础。化学预处理主要包括脱脂、化学抛光、碱浸蚀、除灰等工序以及工序之间的水洗等。如果需要光亮的阳极氧化表面，就要先进行化学抛光等预处理；如果需要均匀柔和的散射反射表面，就要选择碱浸蚀等预处理。根据对铝材品质不同的要求，选定不同的化学预处理的工艺流程：光亮阳极氧化表面的化学预处理工艺流程为：脱脂水洗水洗化学抛光水洗水洗除灰水洗水洗阳极氧化。亚光亮阳极氧化表面的化学预处理工艺流程为：脱脂水洗水洗碱浸蚀水洗水洗除灰水洗水洗阳极氧化。4.2.1脱脂铝材进入阳极氧化处理生产线的第一道工序就是脱脂。脱脂溶液通常采用弱酸性或弱碱性的溶液并添加表面活性剂组成，用于清除铝材表面的油脂或污染物。铝材在生产过程中使用润滑剂、乳液或轧制油，在机械抛光过程中使用抛光膏，在半成品的储存中使用防锈油等必要的油脂；在生产或者运输过程中稍有不慎还可能意外地粘附着机械设备中用的润滑油脂，还可能在表面累积或飘落着油烟、灰尘等污染物，严重时形成污垢，因此。必须进行脱脂处理。4.2.2化学抛光化学抛光可以除去机械抛光中形成的轻微的摩擦条痕和可能出现的热变形层或氧化膜层，进一步使表面平整获得高亮度，得到高的镜面反射效果。铝材化学抛光后表面虽然有很高的亮度，但是不能保持，极易在空气中自然氧化变暗，且易黏附很轻微的污染物，甚至可能留有指纹。因此，必须要跟阳极氧化工艺配合使用。4.2.3碱浸蚀铝材放入以氢氧化钠为基的强碱性溶液进行的浸蚀反应称为碱浸蚀。铝材经碱浸蚀后能够彻底去除表面的氧化膜或复合氧化膜，形成均匀的活化表面；还可以使铝材表面趋于平整均匀，除去铝材表面轻微的粗糙痕迹。但是过度的碱浸蚀浪费铝资源，还可能使铝材出现尺寸偏差或表面出现偏析条纹等内部组织缺陷。4.3阳极氧化工艺目前国内外最广泛应用的阳极氧化方法是硫酸直流阳极氧化。铝及铝合金在硫酸溶液内阳极氧化时，作为阳极的铝或铝合金中的铝元素被阳极反应生成的氧所氧化，形成氧化铝膜。在阳极上生成的氧不是全部都与铝作用生成氧化膜，还有一部分以气体形式从阳极逸出。开始在铝表面形成的薄而致密的氧化膜后，一部分氧化膜跟硫酸反应而发生溶解，于是，致密的氧化膜变的多孔，随着电解又生成新的氧化膜。如此，不断地靠金属表面处生成新的氧化膜，结果生成厚而多孔的外层和薄而致密的内层氧化膜。阳极氧化膜的成长可以归纳为：新膜是在旧膜下面的金属表面上直接生长起来的；孔隙是氧化膜的生长中心，孔隙的存在对氧化膜生长具有决定的意义；在一系列彼此孤立的孔隙内，新生成的氧化膜向四面八方扩展，彼此汇合，最后便生成了一层厚度均匀的覆盖层。通过阳极氧化处理不仅可以改善铝合金的表面耐腐蚀性，还可以通过着色或染色得到多色多彩的外观，大大提高了铝的装饰性。5结语作为一个材料科学与工程专业的学生，一直以为材料成分、组织结构、性能、工艺是很绝对的。然而，材料的表面工程给我们提供了一个简便的方法。传统的机械设计偏重于从结构上，从零件的刚度、强度及抗疲劳性能上进行设计，较少重视零件的表面性能设计。科学技术的发展为机械零件设计提供了新的思路。在新的设计理念下，我相信表面工程会越来越受到重视。而铝作为一种优良的金属材料通过表面处理获得更加优质的产品，其应用价值也会更加广阔。参考文献1曾晓雁.表面工程学.北京：机械工业出版社，2010.2崔振铎.金属材料及热处理.长沙:中南大学出版社，2014.3徐滨士.表面工程的理论与技术.北京：国防工业出版社，1999.4徐滨士.表面工程新技术.北京：国防科技出版社，2002.5吴小源.铝合金型材表面处理技术.北京：冶金工业出版社，2009.6朱祖芳.铝材表面处理.长沙：中南大学出版社，2010.1