表面工程技术
铝合金表面处理国内外研究应用现状Aluminum alloy surface treatment of domestic and foreignresearch and
application status
学院名称：材料科学与工程学院
专业班级：复合材料1101
学生姓名：曹成成
学号：3110706055
指导教师：张松立
2014 年6 月
【摘要】综述了近年来铝合金表面改性技术取得的研究进展，介绍了镀层技术，转化膜处理技术、高能束表面处理技术等方法制备铝合金表面层的原理、特点及研究成果简要介绍了铝合金表面处理技术的新进展,重点介绍了铝合
金的阳极氧化、电镀、化学镀和微弧氧化、激光熔覆等工艺。
关键词:铝合金;表面处理;阳极氧化;电镀;化学镀;微弧氧化;激光熔覆
前言
铝是元素周期表中第三周期主族元素,为面心立方晶格,无同素异构转变,延展性好、塑性高,可进行各种机械加工。铝的化学性质活泼,在干燥空气中铝的表面立即形成厚约1～3 nm 的致密氧化膜,使铝不会进一步氧化并能耐水;铝是两性的,既易溶于强碱,也能溶于稀酸。铝在大气中具有良好的耐蚀性。纯铝的强度低,只有通过合金化才能得到可作结构材料使用的各种铝合金。铝合金的突出特点是密度小、强度高。铝中加入Mn、Mg 形成的Al-Mn、Al-Mg 合金具有很好的塑性和较高的强度,称为防锈铝合金,如3A21 ,5A05。硬铝合金的强度较防锈铝合金高,但防蚀性能有所下降,这类合金有Al-Cu-Mg 系如
2A11 ,2A12。Al-Cu-Mg- Zn 系为超硬铝,如7A04 ,7A09。新近开发的高强度硬铝,强度进一步提高,而密度比普通硬铝降低15 % ,且能挤压成型,可用作摩托车骨架和轮圈等构件。Al-Li 合金可制作飞机零件和承受载重的高级运动器材。通过在铝中加入3 %～5 %(质量分数) 的比铝更轻的金属锂,就可以制造出强度比纯铝高20 %～25 % ,密度仅2. 5 t/ m3 的铝锂合金。这种合金用在大型客机上,可以使飞机的重量减少5 t 多,而载客人数不减。
尽管铝合金材料具有密度小、热膨胀系数低、比刚度和比强度高等优点，但
在实际应用过程中，铝合金就呈现出表面硬度较低、耐磨性及耐蚀性差等诸多问题，这在很大程度上限制了铝合金的应用范围。铝合金成分和热处理对铝合金性能的提高固然很大，但在许多场合还要求铝合金表面具有耐磨、耐腐蚀等特殊性能，而且大部分铝合金材料的失效大都是从表面开始的，因而提高材料的表面性能显得尤为重要。采用表面处理可以提高防护性、装饰性和功能性, 克服铝合金表面性能方面的缺点, 扩大应用范围, 延长使用寿命[ 1-6]。铝合金表面强化技术是目前铝合金材料中研究最为活跃的领域，目前铝合金常用的表面处理方法可分为镀层技术，转化膜处理技术、高能束表面处理技术等，同时探索新的铝合金表面处理技术一直是科研工作者努力的方向。
一、镀层技术
铝及其合金可通过电镀、化学镀等方法在材料表面获得金属或复合金属镀层，中信戴卡轮毂制造股份有限公司电镀常选用Zn、Cr 涂层，化学镀通常使用化学镀Ni、Ni － P合金层[7］。
1．1电镀
通过电镀方法可沉积所需金属元素至铝合金表面，形成牢固的致密镀层。由于铝的电位比较负，对氧的亲和力比较大，不易镀上耐蚀金属，一般要经过特殊预处理，例如采用化学浸锌、电镀薄锌层、电镀镍，然后镀铜。表面镀上一层铜后就可按普通电镀方法在铜镀层镀上所需的金属镀层，获得的镀层与基体结合力好。电镀的优点是镀层结晶细致，平滑光亮，内应力较小，与陶瓷金属化层结合力强，但电镀法的缺点是费时费力，而且电镀液中含有氰种剧毒物质。
1.2 化学镀
化学镀是采用金属盐和还原剂在镀液中进行氧化还原反应，并在金属表面形成金属镀层，其中应用最广涂层的是化学镀Ni－P合金[8］。采用次磷酸盐做还原剂将水溶液中的镍离子原为金属镍，并沉积到零件上去，直至达到所需厚度后将零件取出。化学镀镍时次磷酸盐本身也被还原，共同沉积到金属零件上去，得镀层为镍磷二元合金，控制工艺参数可改变镀层中磷的含量。化学镀与电镀工艺比较而言是一种极低污染的工艺，镍磷合金镀层具有较优越的性能，其镀态硬度可高达HV450 ～ 700，镀层也具有很强的耐蚀性。而且化学镀镍操作非常简便，尤其适合结构复杂的零件，这些优点使化学镀镍的铝合金应用范围更加广泛，目前经化学镀镍处理的铝、镁件己经在航海、航空、电子、军事等高新技术领域得到应用，镍磷镀层已应用于计算机铝－镁合金硬盘的中间镀层。
二、转化膜处理
转化膜处理就是通过铝合金基体与特定的介质在特定条件下发生
转化作用，形成一层附着力良好的腐蚀物或陶瓷膜层覆盖于基体表面，
是一种通过形成新膜层取代自然氧化膜的技术。
2.1化学氧化法
化学氧化处理是使金属铝和氧化溶液发生化学反应，在表面生成不溶性氧化膜的工艺[9-10］。无锡法福表面处理技术有限公司常用化学氧化法主要有磷酸一铬酸盐法、铬酸盐法、碱性铬酸盐法和磷酸盐成膜法。化学氧化膜比自然氧化膜厚度(4nm) 大100 ～ 200 倍，具有操作容易、设备简单、成本低、生成速度快和附着性良好等优点，可单独作防护层或涂装底层; 但化学氧化处理膜层存在耐磨性差、厚度薄、承载能力差等缺点。
2．2 阳极氧化处理
铝阳极氧化工艺是在电解液中将铝合金作为阳极，以铅、不锈钢作为阴极，通电后在制品表面生成氧化膜的过程[11］，该技术最早出现在20 世纪20 年代。阳极氧化电解液主要以酸性液为主，常用的酸液包括: 硫酸、铬酸、草酸和硼酸。在阳极氧化过程中电源最初使用的是直流电源，此法省去添加剂及其他设备，但膜生长速度慢，膜的整体性能一般。近年来发现使脉冲电流与直流电流相叠加可完成阳极氧化，所得膜层性能更优异，可靠性更强。阳极氧化不仅改进和提高了铝合金表面性能，如耐磨性、耐蚀性、表面硬度等，而且可以赋予表面各种颜色，大大提高铝合金的装饰性。
2.2.1 硬质阳极氧化
铝合金硬质阳极氧化[12］是将工件作为阳极, 放入硫酸溶液中, 阴极起导电作用, 在外加电压的作用下, 溶液中的OH- 放电而析出氧, 氧与阳极上的铝作用生成氧化膜.杨蔺孝等[13]指出在硫酸氧化液中添加草酸钴、磺基水杨酸镧铈等化合物, 在25~ 220℃的条件进行氧化,可使氧化膜的莫氏硬度≥
9( 金刚石的莫氏硬度为10) , 耐烧蚀温度达到2000℃。另一途径是变传统的直流氧化为脉冲或交直流叠加氧化。
2.2.2 复合阳极氧化
铝合金的复合阳极氧化是一种新型的阳极氧化技术. 日本的吉村长藏[14]首先进行了这方面的尝试, 他们分别在硫酸、草酸和磷酸三钠电解液中添加如Fe3O4、CrO2、T iO2等磁性粉, 以及Al2O3、SiC、SiN等超硬粉体和石墨等导电性粉体( 微米级) , 使其悬浮于电解液中进行阳极氧化. 顾德恩[15] 等人提出了采用溶液浸渍方法在低压腐蚀铝箔表面沉积一层Ti 氧化物,然后通过阳极氧化在阳极箔表面生成高介电常数的含Ti 复合阳极氧化膜, 以提高阳极
