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浅析门窗幕墙铝型材表面“无铬钝化”工艺处理技术

来源:中国幕墙网收集整理  作者:编辑  日期:2017-5-2
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表面使用无铬钝化,其钝化液中不含铬及铬的任何价位离子,在源头上控制了铬离子的存在,使生产企业做到了使用新产品进行清洁生产的目的,同时,钝化后的产品不含任何铬离子,也保证了最终产品符合环保要求,不会存在对人体有害的铬。有些人认为三价铬也是无铬钝化,这是非常错误的观念,因为三价格也能最终转化为六价铬,因此,真正的无铬钝化是不含任何铬离子的。

  表面使用无铬钝化,其钝化液中不含铬及铬的任何价位离子,在源头上控制了铬离子的存在,使生产企业做到了使用新产品进行清洁生产的目的,同时,钝化后的产品不含任何铬离子,也保证了最终产品符合环保要求,不会存在对人体有害的铬。有些人认为三价铬也是无铬钝化,这是非常错误的观念,因为三价格也能最终转化为六价铬,因此,真正的无铬钝化是不含任何铬离子的。

  一、铝材无铬钝化技术研究摘要

  为满足工业材的不同要求和延长其使用寿命,铝合金(词条“铝合金”由行业大百科提供)表面往往需要进行装饰保护性处理。迄今为止用于铝材表面处理中最成功的技术一直是铬酸盐化学转化(钝化)传统工艺,该技术广泛应用于航天航空、电子、汽车、机械等工业领域的多种金属及其合金的保护。

  可是,近年来的研究调查表明,由于铬酸盐是一种毒性极强的致癌物质,铬酸盐处理技术在生产、废水排放、产品使用及废弃产品每个环节都对环境和人类产生强烈而致命的健康危害。

  因此,取消拥有百年历史的铬酸盐化学转化处理的传统工艺、开发其替代技术已经成为铝合金无铬钝化技术研究的热点。技术先进、环保节能的铝合金表面无铬转化膜处理技术的开发、应用和推广对于节约能源、促进社会的可持续发展具有十分重要的意义。

图为:无铬钝化前处理后的铝型材(词条“铝型材”由行业大百科提供)

  二、铝材无铬钝无铬钝化介绍

  本文主要研究了铝合金表面氟铝酸盐钝化工艺,通过实验确定了双氧水-氟铝酸盐钝化的最佳工艺。研究表明,通过大量的物理性能检测和化学性能的试验,双氧水-氟铝酸盐钝化工艺的界面涂层附着力性能优异,铝合金的抗腐蚀能力有着显著的提高,与铬酸盐钝化工艺的耐蚀性相接近。

  近年来,无铬钝化工艺已经在应用生产过程中取得了积极的进展,无铬钝化工艺毫无疑问就是未来的发展方向。目前应用的无铬钝化技术主要包括三种:三价铬盐、高锰酸盐和锆钛盐转化膜技术。但是,这些技术存在着下述三个缺点而使它们的应用受到影响或限制:第一,处理过程中转化液需要加热到40℃,耗费能源;第二,只适用于一般铝合金,对含有铜、锌、硅量较高的其他铝合金,如航天航空铝合金、铸造铝合金该技术并不适用;第三,三价铬盐、高锰酸盐和锆钛盐的浓度变化对转化膜的质量影响非常大,因此,必须经常对这些盐的浓度进行复杂的化学分析。

  虽然无铬钝化处理技术存在着上述中的种种问题,但是无铬钝化工艺无疑是环保型钝化处理技术发展的方向。本文就提出了双氧水-氟铝酸盐钝化工艺可以替代铬酸盐转化而真正地成为绿色环保型的无铬钝化。

  三、研究内容简介

  本实验所选用的材料是广东新合铝业提供的6063铝合金,试样规格为19×7cm,一端钻有小孔,便于悬挂进行粉末喷涂或化学性能的测试。

  工艺流程是:除油脱脂→两道水洗→无铬钝化→自然晾干→进炉烘烤(词条“烘烤”由行业大百科提供)

  本工艺先通过单因素实验,找到各因素的最佳范围,再综合考虑成本,通过实验对双氧水-氟铝酸盐钝化工艺进行优化组合,最终确定出最佳的工艺方案。

  每次的优化组合试验经烘烤后进行粉末喷涂,涂层性能的测试严格依据国标检测方法进行,然后筛选出符合检测试验要求较好的工艺。

  四、铝材无铬钝化工艺探讨

  1、各组分的研究

  分别取双氧水的浓度为5ml/L、10ml/L、20ml/L、30ml/L、40ml/L、50ml/L,其它工艺条件不变,通过实验检测分析,可以确定得出双氧水的最佳工艺范围为20~30ml/L。双氧水是参与钝化成膜的重要成分,在处理液中起着成膜氧化促进剂的作用,其浓度对钝化膜的形成速度和表面质量都有着重要的影响。当双氧水的浓度过低时,成膜反应速度过慢,形成的钝化膜或不完整或未能成膜,耐蚀性较差;当双氧水的浓度过高时,成膜反应速度过快,生成的钝化膜疏松不致密,结合力较差,甚至造成局部涂层脱落(词条“脱落”由行业大百科提供),附着力性能较差。所以,可以确定双氧水的浓度在20~30ml/L范围内最好。

  分别取氟铝酸盐的含量为1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L、6g/L,其它工艺条件保持不变,通过实验检测分析,可以确定得出氟铝酸盐的最佳工艺范围为2~3g/L。氟铝酸盐是参与形成钝化膜的主盐成分,起到加快成膜速度的作用,缩短成膜反应的时间,并且使形成的钝化膜更加致密牢固,提高了钝化膜的耐蚀性,其含量对钝化膜的形成速度和表面质量都有着重要的影响。当氟铝酸盐的含量过低时,起不到参与成膜的作用,成膜反应速度过慢,钝化膜较薄,耐蚀性较差;若氟铝酸盐的含量过高时,成膜反应速度明显加快,钝化膜的致密均匀性较差,造成涂层的附着力下降,或甚至造成局部的涂层脱落,涂层界面的耐腐蚀性能下降。所以,确定氟铝酸盐的含量在2~3g/L范围内最佳。

  分别取PH值为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0,其它工艺条件保持不变,通过实验检测分析,得知PH值的最佳工艺范围为2.0~3.0。在大量的实验过程中发现钝化成膜存在临界的PH值,在PH值达到该临界点时钝化膜的形成速度最快,完整性最好,致密度最高,同时其涂层的附着性和耐蚀性也是最佳的。如果PH值高于临界值,钝化膜的成长速度减慢,耐蚀性下降;如果PH值低于临界值时,钝化膜的生长速度就更加缓慢,膜层表面质量下降,附着性能较差。因此,可以确定PH值在2.0~3.0的范围之间最好。

  分别取处理时间为30sec、60sec、90sec、120sec、150sec、180sec,其它条件不变,通过实验检测分析,得知反应时间的最佳工艺范围为60~120sec。根据钝化成膜的原理得知,成膜的初始阶段生长速度快,膜层不断增厚,当钝化膜完全覆盖整个铝材基体时,钝化膜的生长基本结束,此时,继续处理反而难于进行成膜反应,反应速度明显缓慢。如果处理时间过短,钝化膜的成长速度过快,形成的钝化膜不完整,耐蚀性较差;如果处理时间过长,由于在酸性溶液环境下处理时间长而损伤钝化膜,膜层表面质量下降,附着性能较差。因此,在适当的处理时间条件下,才可形成性能较好的钝化膜,对铝材有较好的保护作用,确定反应时间在60~120sec范围之间最好。

  2、正交试验设计

  确定双氧水和氟铝酸盐制备钝化膜的处理液,经过研究分析得出,处理液的PH值、处理的时间、双氧水的浓度、氟铝酸盐的浓度这四个因素对成膜的性能有着重要的影响,因此采用了四因素三水平正交试验对钝化工艺进行优化。以终端成品涂层的附着力性能的检测试验作为判断的指标,通过检测对比分析四个因素对成膜性能的影响,最终确定得出成膜的最佳工艺参数。

水平

因素

A

B

C

D

氟铝酸盐浓度(g/L)

双氧水浓度(ml/L)

处理液

PH值

处理的时间

(sec)

1

2.0

20

2.0

60

2

2.5

25

2.5

90

3

3.0

30

3.0

120

  3、实验数据分析

实验

编号

A

B

C

D

指标

氟铝酸盐浓度(g/L)

双氧水浓度(ml/L)

处理液

PH值

处理的时间

(sec)

涂层

附着性能

1

2.0

20

2.0

60

1级

2

2.0

25

2.5

90

0级一般

3

2.0

30

3.0

120

0级较好

4

2.5

30

2.0

90

1级

5

2.5

20

2.5

120

0级较好

6

2.5

25

3.0

60

0级最佳

7

3.0

25

2.0

120

1级

8

3.0

30

2.5

60

0级一般

9

3.0

20

3.0

90

0级一般

  根据上述正交试验数据分析得出,各因素对成膜影响的重要性排序由大到小为:处理液PH值>双氧水的浓度>氟铝酸盐的含量>处理的时间,针对处理液PH值的重要性,通过上述正交试验数据分析确定处理液PH最佳值为3.0。

  双氧水能够促进铝合金快速并且均匀地成膜,是氟铝酸盐钝化成膜的良好促进剂,由上述数据表得知双氧水的浓度在25ml/L时其涂层性能达到最好。由此可以确定双氧水的最佳浓度为25ml/L。

  氟铝酸盐是影响钝化膜表面质量的重要因素,由上述数据表可以得出钝化膜的表面质量随着氟铝酸盐的含量升高先增加变好后逐渐降低,其涂层附着性能在2.5g/L时达到最佳。由此可以确定氟铝酸盐的最佳含量为2.5g/L。

  从正交试验数据表中可以看出处理时间的长短对成膜的影响最小,确定钝化处理时间在90sec状态较好。

  综上所述,四因素三水平正交试验的较优水平为A2B2C3D1。

  五、铝材无铬钝化实验分析结果

  本文采用双氧水-氟铝酸盐钝化工艺对铝合金喷涂无铬前处理技术的研究,通过上述实验探讨进行优化组合,得出的结果如下:

  1、双氧水的最佳浓度为25ml/L

  双氧水是参与钝化成膜的重要成分,在处理液中起着成膜氧化促进剂的作用,其浓度对钝化膜的形成速度和表面质量都有着重要的影响,由上述数据表得知双氧水的浓度在25ml/L时其涂层性能达到最好。

  2、氟铝酸盐的最佳含量为2.5g/L

  氟铝酸盐是钝化液的主盐成分,起到加快成膜速度的作用,氟铝酸盐是影响钝化膜质量的重要因素,由上述数据表可以得出钝化膜的表面质量随着氟铝酸盐的含量升高先增加变好后逐渐降低,其涂层附着性能在2.5g/L时达到最佳。

  3、处理液PH最佳值为3.0

  处理液PH值在临界值3.0时钝化膜的形成速度最快,完整性最好,致密度最高,同时其涂层的附着性和耐蚀性也是最佳的。

  综合分析确定最佳工艺方案为A2B2C3D1,即双氧水-氟铝酸盐钝化工艺的最佳方案是:双氧水的浓度为25ml/L,氟铝酸盐的含量为2.5g/L,处理液PH值为3.0,反应时间为90sec,处理温度为常温。

  六、技术优势概述

  研究表明,利用氟离子对铝的强刻蚀性迅速形成稳定的氟铝络合离子、进而反应产生氟铝酸盐沉淀的原理在铝合金表面形成转化膜。双氧水-氟铝酸盐钝化化膜技术优点如下:

  1、绿色环保节能

  铝合金表面氟铝酸盐转化膜制备技术不使用六价铬铬和磷酸盐,生成的转化膜自然不含六价铬和磷酸盐。采用这种技术处理的铝合金不仅环保,废旧产品的回收也更为方便。另外,氟铝离子对铝合金的强刻蚀性,使得氟铝酸盐转化膜能够在常温条件下(10~40度)在铝合金表面形成。

  2、高效性能稳定

  氟离子对铝的强刻蚀性以及氟铝络合离子的高度稳定性,使得氟铝酸盐转化膜常温条件下短时间(1~5分钟)就能够在铝合金表面形成。与传统的铬酸盐转化膜和磷化膜技术不同,氟铝酸盐转化膜技术由于铝合金表面被刻蚀的铝离子本身参与了氟铝酸盐转化膜的生成,使得膜层颗粒细小、致密,转化膜与铝合金本身基体结合牢固,耐蚀性能好、与有机涂层附着力强。

  3、工艺操作简便

  处理过程关键的控制条件是PH。虽然铝刻蚀过程转化液PH将上升,但由于氟铝酸盐转化膜的形成与PH无关,结果使得转化反应过程中转化液的PH几乎不发生变化。又由于转化反应在常温条件下进行,因此,生产处理过程工艺控制操作简单,使用、维护方便。

  4、适用范围广、通用性好

  通过在转化液中加入配位化合物络合反应过程中铝合金表面溶解出来的铜、锌、镁等金属离子,可以消除这些有害杂质对转化膜形成的影响,因而该工艺不仅适用于一般铝合金,还适用于铜、锌或镁含量较高的航天航空、铸造等其他铝合金。

  总之,与三价铬盐、高锰酸盐和锆钛盐三种铝合金表面无铬转化膜处理技术相比,氟铝酸盐转化膜新技术具有绿色环保节能、高效高性能、工艺操作简便、适用范围广泛等许多优点而具有极强的市场竞争力,市场应用前景非常广阔。

  延伸阅读:

  铬(Chromium),化学符号Cr,单质为钢灰色金属。元素名来自于希腊文,原意为“颜色”,因为铬的化合物都有颜色。铬的毒性与其存在的价态有关,六价铬比三价铬毒性高100倍,并易被人体吸收且在体内蓄积,三价铬和六价铬可以相互转化。铬的污染源有含铬矿石的加工、金属表面处理、皮革鞣制、印染等排放的污水。三价的铬是对人体有益的元素,而六价铬是有毒的。

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