图片展示
图片展示

一种两酸镜面抛光液的研制

关注:233 发表时间:2019-06-05 15:41:11

一种两酸镜面抛光液的研制

敖中华,舒伟

(珠海市奥美伦精细化工有限公司,广东 珠海 519050

[摘要] 为了消除传统的三酸抛光对环境和人体健康的危害,开发了以磷酸-硫酸为基液的无烟镜面抛光液。通过在基液中添加氧化剂A、硫酸铜、光斑抑制剂来达到对铝及铝合金整平增光的效果,使其获得镜面光泽度。在磷酸:硫酸=2:1,氧化剂A4.5g/L,硫酸铜为0.9g/L,光斑抑制剂为2.5g/L,铝离子浓度为10-20g/L,抛光温度为95-115℃,抛光时间为1-1.5min的条件下,光泽度为800左右达到了镜面效果,铝表面无光泽斑,且铝材失重率小,有很大工业生产使用价值。

[关键词]两酸抛光;镜面;无烟;化学抛光;铝及铝合金

前言

传统的铝及铝合金三酸抛光工艺,由于抛光液中含有大量的硝酸,在抛光时会产生大量的氮氧化物黄烟,且生产中的废气处理需要特殊设备,需要大量的人力和财力投入,即便这样也经常存在废气处理不达标的情况,严重污染环境,危害人体健康[1]。为此,国内外表面处理研发人员都在研究一种能够无黄烟化学抛光工艺或新型化学抛光液。

目前,为了保证化学抛光的高亮度要求,不少研究人员依然在三酸抛光的基础上通过添加烟雾抑制剂的方法来减少黄烟的产生和排放,但是烟雾抑制剂的成分一般是由尿素或硫脲等还原性物质组成,在刚加入三酸抛光槽时有一定的烟雾抑制作用,随着这类还原性物质与硝酸的不断反应,会使硝酸和抑制剂浓度较快的下降,导致抛光亮度下降从而需要频繁的补充硝酸和添加剂,成本较高、操作繁锁不适合自动生产线使用。为了彻底解决黄烟问题,也有研究人员在两酸抛光的基础上通过添加含硫酸铜的添加剂来提高光泽度[2-3],但光泽度与三酸抛光还有较大的差距,Al6063最高光泽度只能达到550与三酸抛光的最光光泽度800相差甚远,表面无法获得镜面光泽效果。而且三酸或者两酸抛光中磷酸的含量达到了75%-80%,对废水处理达标也造成了很大的压力。

本研究探讨了一种低磷酸含量基础液的新型两酸镜面抛光液的组成及对抛光性能的影响,提出了最佳的使用工艺条件。

1 试验方法和仪器

1.1试验仪器

恒温水浴锅;德国BYKAG-4442光泽度仪;上海舜宇恒平科学仪器有限公司FA2104电子天平,精度为0.0001g

1.2实验试样

试样为西南铝业的6063铝合金薄板,尺寸为100mm×50mm×1mm。

1.3工艺流程

外观检查→化学除油→三道水洗→恒温干燥→分析天平称重M1→化学抛光→二道水洗→化学除渍去灰→三道水洗→恒温干燥→分析天平称重M2→光泽度检测

1.4检测标准

抛光质量的评价标准有:光泽度、表面光斑状况和单位面积失重率。将抛光后的试片在BYK AG-4442光泽度计上测量光泽度gloss(60°), 表面光斑状况通过目视抛光后试片表面有无光斑来评价,用FA2104分析天平测量试片抛光前后单位时间单位面积的质量变化,用公式△M=(M1-M2)/(ST)计算单位面积失重率。

其中 M1—试样抛光前重量(单位g

            M2—试样抛光后重量(单位g

            S—试样的表面积(单位dm2

            T—试样抛光的时间(min

2.结果及讨论

2.1溶液基础配方的确定

三酸抛光液中含有氧化性很强的硝酸是产生黄烟的根源。所以,本研究不采用硝酸通过重新调整磷酸、硫酸的比例作为抛光基础液,在确定基础液后选择适当的氧化剂、光亮剂来达到增加铝表面光泽度的效果,选择加入光斑抑制剂可以提高工件表面光泽均匀性和减少抛光光斑的产生。

根据化学抛光的固态(氧化膜)理论,认为氧化剂有利于氧化膜的生成,光亮剂如重金属离子具有明显的整平效果。试验中的加入氧化剂A有很好的促进氧化膜的生成。重金属离子如硫酸铜具有明显的整平效果。光斑抑制剂则可以减少抛光光斑的产生和提高工件表面光泽的均匀性。

2.2磷酸与硫酸的最佳体积比

磷酸具有较高的粘度,它的主要作用是较缓慢和有选择性地溶解铝或铝合金表面微观凸起的铝和氧化铝,生成粘性液膜,附着在工件表面。这层粘性液膜对于整平和抛光表面起着十分重要的作用。若磷酸浓度低则抛光力的持续性不足,不能给予足够的光亮度和表面的平滑度。假如磷酸浓度过高,槽液成本会增加。

硫酸的主要作用是有选择性地溶解材料表面的铝和氧化铝,能提高铝表面抛光时的反应活性,加快抛光速度,同时也有一定的增光作用[4]

通过改变磷酸与硫酸的体积比,以光泽度和较小失重率做为评价依据。光泽度随磷酸硫酸体积比的变化关系如图1。失重率与磷酸硫酸体积比的关系如图2。得出磷酸与硫酸的最佳体积比为2:1。

 

1  铝表面光泽度随磷酸/硫酸比例的变化

 

2 失重率与磷酸/硫酸体积比的关系

2.3氧化剂A对光泽度的影响

在本研究过程中,氧化剂A对抛光光泽度起决定性的作用。氧化剂A在抛光液中的作用类似于硝酸,在铝表面发生氧化反应形成一层氧化铝钝化膜覆盖在铝表面上,铝表面暂时受到保护,而氧化膜不断地受到磷酸和硫酸的溶解,然后由氧化剂A的钝化作用,再形成一层新的氧化铝钝化膜。所以,氧化剂A的钝化作用遏制了铝表面的酸性浸蚀,特别是铝材表面凹陷处的酸性浸蚀,这对抛光的整平镜面效果起到了至关重要的作用。光泽度随氧化剂A的浓度变化如图3从图3可以看出氧化剂A的浓度为4.5g/L时光泽度最高,且成本较低。

 

3光泽度随氧化剂A的浓度变化

2.4光泽度随硫酸铜浓度的变化规律

   铜离子能够在铝表面获得电子形成局部电流,相当于一个微电池的作用,促进了周围铝的溶解,起到了使表面平整光滑的作用。同时,在表面凹陷处底部的铝被黏滞性的扩散层盖得很厚,还充满着十分黏稠的混合溶液,该混合液由铝盐、磷酸盐等组成,且含量很高很黏稠。铝离子难以扩散出去,氢离子难于扩散进来,结果凹陷处的铝延缓了溶解而得以保护 ,更进一步导致了铝表面平整光滑[5]。光泽度随硫酸铜浓度的变化如图4,从图中可以得知硫酸铜的最佳浓度是0.9g/L°

 

4光泽度随硫酸铜浓度的变化

2.5铝或铝合金表面光泽斑点与光斑抑制剂浓度的关系

含有光斑抑制剂的化学抛光液,在化学抛光后,对于防止铝或铝合金表面上发生光泽的斑点是有效的。同时对于试片表面光泽的均匀性也有很大的影响。光泽斑点的多少和光泽的均匀性随光斑抑制剂浓度的变化关系如表1,从表可以看出光斑抑制剂的最佳浓度为2.5g/L

1 光泽斑点和光泽表面均匀性随光斑抑制剂浓度的变化

 

光斑抑制剂

浓度(g/L

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

光泽斑点数量

4

2

0

6

15

 

光泽表面均匀性

较好

 

2.6铝离子浓度对光泽度的影响

当铝离子的质量浓度比较低时,溶液黏度比较低,还不能真正起到抑制抛光液对铝的腐蚀,抛光效果变化不大。当铝离子的质量浓度逐渐增大,腐蚀速率会逐渐下降,抛光效果也越来越好。光泽度随铝离子浓度变化如图5,失重率随铝离子浓度的变化如图6。从图5和图6可以得知铝离子浓度在10-20g/L时抛光光泽度最高,对铝的腐蚀量也较低。是铝离子理想的管控范围。

 

        5 光泽度随铝离子浓度变化

 

        6失重率随铝离子浓度变化

2.7抛光时间和温度对光泽度的影响

   温度、时间对光泽度的影响很大。特别是温度的影响更加明显。在一定的范围内随着温度上升,抛光亮度呈上升趋势。在低温时,随着抛光时间的延长,光亮度呈上升趋势,但是温度不能低于95度,否则无法镜面效果光泽。高温时,抛光的光泽度很高,随着温度的上升和时间的延长,抛光铝制品易产生过腐蚀,表面会有很多麻点,反而会使光泽度下降,本抛光工艺的温度最高不能超过115度。根据试验,要获得镜面光泽度效果,最佳的抛光时间为1-1.5min [6]

2.8 抛光槽液的管控方法

   两酸镜面抛光剂在日常使用中应避免带入过多的水分,过多的水分会导致抛光亮度的下降。通过测试铝离子浓度和密度的方法来管控抛光槽液,正常使用过程中不同的铝离子浓度对应不同的密度,假如出现一定铝离子下密度较标准值下降3%,就需要采用将抛光槽液的温度提高到115度将槽液中的水分蒸发出来以保证抛光效果。铝离子浓度和密度的对应关系如图7

 

7不同铝离子浓度下的密度

 

 

3结论

两酸镜面抛光剂的最佳参数条件:磷酸(85%):硫酸(98%=2:1,氧化剂A4.5g/L,硫酸铜0.9g/L,光斑抑制剂2.5g/L,铝离子10-20g/L,抛光温度95-115℃,抛光时间为1-1.5min。

该抛光技术不但成功的解决了三酸化学抛光中的黄烟问题,也解决了传统无黄烟化学抛光制品光泽度低的缺点,而且该抛光技术中磷酸含量低,一方面降低了生产成本,另一方面也减轻了废水处理的压力。抛光后的铝制品镜面反射率达到了三酸化学抛光的水平,能够满足生产的需要。

 

参考文献:

[1]庞洪涛,李鑫庆,王菊荣. 铝及铝合金高亮度无黄烟化学抛光工艺[J].材料保护,2002,35(11):38-40.

[2]钟建华,刘金明,金 平.镁离子铜离子对铝无烟化学抛光的协同效应[J]. 材料保护,2008,41(6):65-66.

[3]谢国经,曾卓京,张金生,张德忠,谢争,付佳. /镍离子光亮剂在6063铝合金化学抛光中的协同效应[J]. 材料保护, 20137,46卷第7:11-12.

[4]安成强,胡如南. 铝及铝合金无硝酸化学抛光光亮剂研究. 表面技术, 1996年第25卷第2:11-13.

[5]朱祖芳. 铝合金阳极氧化与表面处理技术[M]. 北京: 化学工业出版社,2004

[6]孙洪波,李轶,熊仕显,袁孚胜. 铝合金环保型无烟化学抛光工艺的研究[J]. 电镀与环保, 20099, 29卷第5:20-23.