淺析門窗幕墻鋁型材表面“無鉻鈍化”工藝處理技術(shù)

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　　表面使用無鉻鈍化，其鈍化液中不含鉻及鉻的任何價位離子，在源頭上控制了鉻離子的存在，使生產(chǎn)企業(yè)做到了使用新產(chǎn)品進(jìn)行清潔生產(chǎn)的目的，同時，鈍化后的產(chǎn)品不含任何鉻離子，也保證了最終產(chǎn)品符合環(huán)保要求，不會存在對人體有害的鉻。有些人認(rèn)為三價鉻也是無鉻鈍化，這是非常錯誤的觀念，因為三價格也能最終轉(zhuǎn)化為六價鉻，因此，真正的無鉻鈍化是不含任何鉻離子的。

　　一、鋁材（詞條“鋁材”由行業(yè)大百科提供）無鉻鈍化技術(shù)研究摘要

　　為滿足工業(yè)鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）材的不同要求和延長其使用壽命，鋁合金表面往往需要進(jìn)行裝飾保護(hù)性處理。迄今為止用于鋁材表面處理中最成功的技術(shù)一直是鉻酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化(鈍化)傳統(tǒng)工藝，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于航天航空、電子、汽車、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域的多種金屬（詞條“金屬”由行業(yè)大百科提供）及其合金的保護(hù)。

　　可是，近年來的研究調(diào)查表明，由于鉻酸鹽是一種毒性極強(qiáng)的致癌物質(zhì)，鉻酸鹽處理技術(shù)在生產(chǎn)、廢水排放、產(chǎn)品使用及廢棄產(chǎn)品每個環(huán)節(jié)都對環(huán)境和人類產(chǎn)生強(qiáng)烈而致命的健康危害。

　　因此，取消擁有百年歷史的鉻酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的傳統(tǒng)工藝、開發(fā)其替代技術(shù)已經(jīng)成為鋁合金無鉻鈍化技術(shù)研究的熱點。技術(shù)先進(jìn)、環(huán)保節(jié)能的鋁合金表面無鉻轉(zhuǎn)化膜處理技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用和推廣對于節(jié)約能源、促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

圖為：無鉻鈍化前處理后的鋁型材（詞條“鋁型材”由行業(yè)大百科提供）

　　二、鋁材無鉻鈍無鉻鈍化介紹

　　本文主要研究了鋁合金表面氟鋁酸鹽鈍化工藝,通過實驗確定了雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化的最佳工藝。研究表明,通過大量的物理性能檢測和化學(xué)性能的試驗,雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化工藝的界面涂層附著力性能優(yōu)異,鋁合金的抗腐蝕能力有著顯著的提高,與鉻酸鹽鈍化工藝的耐蝕性相接近。

　　近年來，無鉻鈍化工藝已經(jīng)在應(yīng)用生產(chǎn)過程中取得了積極的進(jìn)展，無鉻鈍化工藝毫無疑問就是未來的發(fā)展方向。目前應(yīng)用的無鉻鈍化技術(shù)主要包括三種：三價鉻鹽、高錳酸鹽和鋯鈦鹽轉(zhuǎn)化膜技術(shù)。但是，這些技術(shù)存在著下述三個缺點而使它們的應(yīng)用受到影響或限制：第一，處理過程中轉(zhuǎn)化液需要加熱到40℃，耗費能源;第二，只適用于一般鋁合金，對含有銅、鋅、硅量較高的其他鋁合金，如航天航空鋁合金、鑄造鋁合金該技術(shù)并不適用;第三，三價鉻鹽、高錳酸鹽和鋯鈦鹽的濃度變化對轉(zhuǎn)化膜的質(zhì)量影響非常大，因此，必須經(jīng)常對這些鹽的濃度進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)分析。

　　雖然無鉻鈍化處理技術(shù)存在著上述中的種種問題，但是無鉻鈍化工藝無疑是環(huán)保型鈍化處理技術(shù)發(fā)展的方向。本文就提出了雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化工藝可以替代鉻酸鹽轉(zhuǎn)化而真正地成為綠色環(huán)保型的無鉻鈍化。

　　三、研究內(nèi)容簡介

　　本實驗所選用的材料是廣東新合鋁業(yè)提供的6063鋁合金，試樣規(guī)格為19×7cm，一端鉆有小孔，便于懸掛進(jìn)行粉末噴涂或化學(xué)性能的測試。

　　工藝流程是：除油脫脂→兩道水洗→無鉻鈍化→自然晾干→進(jìn)爐烘烤

　　本工藝先通過單因素實驗，找到各因素的最佳范圍，再綜合考慮成本，通過實驗對雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化工藝進(jìn)行優(yōu)化組合，最終確定出最佳的工藝方案。

　　每次的優(yōu)化組合試驗經(jīng)烘烤后進(jìn)行粉末噴涂（詞條“噴涂”由行業(yè)大百科提供），涂層性能的測試嚴(yán)格依據(jù)國標(biāo)檢測方法進(jìn)行，然后篩選出符合檢測試驗要求較好的工藝。

　　四、鋁材無鉻鈍化工藝探討

　　1、各組分的研究

　　分別取雙氧水的濃度為5ml/L、10ml/L、20ml/L、30ml/L、40ml/L、50ml/L，其它工藝條件不變，通過實驗檢測分析，可以確定得出雙氧水的最佳工藝范圍為20～30ml/L。雙氧水是參與鈍化成膜的重要成分，在處理液中起著成膜氧化促進(jìn)劑的作用，其濃度對鈍化膜的形成速度和表面質(zhì)量都有著重要的影響。當(dāng)雙氧水的濃度過低時，成膜反應(yīng)速度過慢，形成的鈍化膜或不完整或未能成膜，耐蝕性較差;當(dāng)雙氧水的濃度過高時，成膜反應(yīng)速度過快，生成的鈍化膜疏松不致密，結(jié)合力（詞條“結(jié)合力”由行業(yè)大百科提供）較差，甚至造成局部涂層脫落，附著力性能較差。所以，可以確定雙氧水的濃度在20～30ml/L范圍內(nèi)最好。

　　分別取氟鋁酸鹽的含量為1g/L、2g/L、3g/L、4g/L、5g/L、6g/L，其它工藝條件保持不變，通過實驗檢測分析，可以確定得出氟鋁酸鹽的最佳工藝范圍為2～3g/L。氟鋁酸鹽是參與形成鈍化膜的主鹽成分，起到加快成膜速度的作用，縮短成膜反應(yīng)的時間，并且使形成的鈍化膜更加致密牢固，提高了鈍化膜的耐蝕性，其含量對鈍化膜的形成速度和表面質(zhì)量都有著重要的影響。當(dāng)氟鋁酸鹽的含量過低時，起不到參與成膜的作用，成膜反應(yīng)速度過慢，鈍化膜較薄，耐蝕性較差;若氟鋁酸鹽的含量過高時，成膜反應(yīng)速度明顯加快，鈍化膜的致密均勻性較差，造成涂層的附著力下降，或甚至造成局部的涂層脫落，涂層界面的耐腐蝕性（詞條“耐腐蝕性”由行業(yè)大百科提供）能下降。所以，確定氟鋁酸鹽的含量在2～3g/L范圍內(nèi)最佳。

　　分別取PH值為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，其它工藝條件保持不變，通過實驗檢測分析，得知PH值的最佳工藝范圍為2.0～3.0。在大量的實驗過程中發(fā)現(xiàn)鈍化成膜存在臨界的PH值，在PH值達(dá)到該臨界點時鈍化膜的形成速度最快，完整性最好，致密度最高，同時其涂層的附著性和耐蝕性也是最佳的。如果PH值高于臨界值，鈍化膜的成長速度減慢，耐蝕性下降;如果PH值低于臨界值時，鈍化膜的生長速度就更加緩慢，膜層表面質(zhì)量下降，附著性能較差。因此，可以確定PH值在2.0～3.0的范圍之間最好。

　　分別取處理時間為30sec、60sec、90sec、120sec、150sec、180sec，其它條件不變，通過實驗檢測分析，得知反應(yīng)時間的最佳工藝范圍為60～120sec。根據(jù)鈍化成膜的原理得知，成膜的初始階段生長速度快，膜層不斷增厚，當(dāng)鈍化膜完全覆蓋整個鋁材基體時，鈍化膜的生長基本結(jié)束，此時，繼續(xù)處理反而難于進(jìn)行成膜反應(yīng)，反應(yīng)速度明顯緩慢。如果處理時間過短，鈍化膜的成長速度過快，形成的鈍化膜不完整，耐蝕性較差;如果處理時間過長，由于在酸性溶液環(huán)境下處理時間長而損傷鈍化膜，膜層表面質(zhì)量下降，附著性能較差。因此，在適當(dāng)?shù)奶幚頃r間條件下，才可形成性能較好的鈍化膜，對鋁材有較好的保護(hù)作用，確定反應(yīng)時間在60～120sec范圍之間最好。

　　2、正交試驗設(shè)計

　　確定雙氧水和氟鋁酸鹽制備鈍化膜的處理液，經(jīng)過研究分析得出，處理液的PH值、處理的時間、雙氧水的濃度、氟鋁酸鹽的濃度這四個因素對成膜的性能有著重要的影響，因此采用了四因素三水平正交試驗對鈍化工藝進(jìn)行優(yōu)化。以終端成品涂層的附著力性能的檢測試驗作為判斷的指標(biāo)，通過檢測對比分析四個因素對成膜性能的影響，最終確定得出成膜的最佳工藝參數(shù)。

　　3、實驗數(shù)據(jù)分析

　　根據(jù)上述正交試驗數(shù)據(jù)分析得出，各因素對成膜影響的重要性排序由大到小為：處理液PH值>雙氧水的濃度>氟鋁酸鹽的含量>處理的時間，針對處理液PH值的重要性，通過上述正交試驗數(shù)據(jù)分析確定處理液PH最佳值為3.0。

　　雙氧水能夠促進(jìn)鋁合金快速并且均勻地成膜，是氟鋁酸鹽鈍化成膜的良好促進(jìn)劑，由上述數(shù)據(jù)表得知雙氧水的濃度在25ml/L時其涂層性能達(dá)到最好。由此可以確定雙氧水的最佳濃度為25ml/L。

　　氟鋁酸鹽是影響鈍化膜表面質(zhì)量的重要因素，由上述數(shù)據(jù)表可以得出鈍化膜的表面質(zhì)量隨著氟鋁酸鹽的含量升高先增加變好后逐漸降低，其涂層附著性能在2.5g/L時達(dá)到最佳。由此可以確定氟鋁酸鹽的最佳含量為2.5g/L。

　　從正交試驗數(shù)據(jù)表中可以看出處理時間的長短對成膜的影響最小，確定鈍化處理時間在90sec狀態(tài)較好。

　　綜上所述，四因素三水平正交試驗的較優(yōu)水平為A2B2C3D1。

　　五、鋁材無鉻鈍化實驗分析結(jié)果

　　本文采用雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化工藝對鋁合金噴涂無鉻前處理技術(shù)的研究，通過上述實驗探討進(jìn)行優(yōu)化組合，得出的結(jié)果如下：

　　1、雙氧水的最佳濃度為25ml/L

　　雙氧水是參與鈍化成膜的重要成分，在處理液中起著成膜氧化促進(jìn)劑的作用，其濃度對鈍化膜的形成速度和表面質(zhì)量都有著重要的影響，由上述數(shù)據(jù)表得知雙氧水的濃度在25ml/L時其涂層性能達(dá)到最好。

　　2、氟鋁酸鹽的最佳含量為2.5g/L

　　氟鋁酸鹽是鈍化液的主鹽成分，起到加快成膜速度的作用，氟鋁酸鹽是影響鈍化膜質(zhì)量的重要因素，由上述數(shù)據(jù)表可以得出鈍化膜的表面質(zhì)量隨著氟鋁酸鹽的含量升高先增加變好后逐漸降低，其涂層附著性能在2.5g/L時達(dá)到最佳。

　　3、處理液PH最佳值為3.0

　　處理液PH值在臨界值3.0時鈍化膜的形成速度最快，完整性最好，致密度最高，同時其涂層的附著性和耐蝕性也是最佳的。

　　綜合分析確定最佳工藝方案為A2B2C3D1，即雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化工藝的最佳方案是：雙氧水的濃度為25ml/L，氟鋁酸鹽的含量為2.5g/L，處理液PH值為3.0，反應(yīng)時間為90sec，處理溫度為常溫。

　　六、技術(shù)優(yōu)勢概述

　　研究表明,利用氟離子對鋁的強(qiáng)刻蝕性迅速形成穩(wěn)定的氟鋁絡(luò)合離子、進(jìn)而反應(yīng)產(chǎn)生氟鋁酸鹽沉淀的原理在鋁合金表面形成轉(zhuǎn)化膜。雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化化膜技術(shù)優(yōu)點如下：

　　1、綠色環(huán)保節(jié)能

　　鋁合金表面氟鋁酸鹽轉(zhuǎn)化膜制備技術(shù)不使用六價鉻鉻和磷酸鹽，生成的轉(zhuǎn)化膜自然不含六價鉻和磷酸鹽。采用這種技術(shù)處理的鋁合金不僅環(huán)保，廢舊產(chǎn)品的回收也更為方便。另外，氟鋁離子對鋁合金的強(qiáng)刻蝕性，使得氟鋁酸鹽轉(zhuǎn)化膜能夠在常溫條件下(10～40度)在鋁合金表面形成。

　　2、高效性能穩(wěn)定

　　氟離子對鋁的強(qiáng)刻蝕性以及氟鋁絡(luò)合離子的高度穩(wěn)定性（詞條“穩(wěn)定性”由行業(yè)大百科提供），使得氟鋁酸鹽轉(zhuǎn)化膜常溫條件下短時間(1～5分鐘)就能夠在鋁合金表面形成。與傳統(tǒng)的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜和磷化膜技術(shù)不同，氟鋁酸鹽轉(zhuǎn)化膜技術(shù)由于鋁合金表面被刻蝕的鋁離子本身參與了氟鋁酸鹽轉(zhuǎn)化膜的生成，使得膜層顆粒細(xì)小、致密，轉(zhuǎn)化膜與鋁合金本身基體結(jié)合牢固，耐蝕性能好、與有機(jī)涂層附著力強(qiáng)。

　　3、工藝操作簡便

　　處理過程關(guān)鍵的控制條件是PH。雖然鋁刻蝕過程轉(zhuǎn)化液PH將上升，但由于氟鋁酸鹽轉(zhuǎn)化膜的形成與PH無關(guān)，結(jié)果使得轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化液的PH幾乎不發(fā)生變化。又由于轉(zhuǎn)化反應(yīng)在常溫條件下進(jìn)行，因此，生產(chǎn)處理過程工藝控制操作簡單，使用、維護(hù)方便。

　　4、適用范圍廣、通用性好

　　通過在轉(zhuǎn)化液中加入配位化合物絡(luò)合反應(yīng)過程中鋁合金表面溶解出來的銅、鋅、鎂等金屬離子（詞條“金屬離子”由行業(yè)大百科提供），可以消除這些有害雜質(zhì)對轉(zhuǎn)化膜形成的影響，因而該工藝不僅適用于一般鋁合金，還適用于銅、鋅或鎂含量較高的航天航空、鑄造等其他鋁合金。

　　總之，與三價鉻鹽、高錳酸鹽和鋯鈦鹽三種鋁合金表面無鉻轉(zhuǎn)化膜處理技術(shù)相比，氟鋁酸鹽轉(zhuǎn)化膜新技術(shù)具有綠色環(huán)保節(jié)能、高效高性能、工藝操作簡便、適用范圍廣泛等許多優(yōu)點而具有極強(qiáng)的市場競爭力，市場應(yīng)用前景非常廣闊。

　　延伸閱讀：

　　鉻(Chromium)，化學(xué)符號Cr，單質(zhì)為鋼灰色金屬。元素名來自于希臘文，原意為“顏色”，因為鉻的化合物都有顏色。鉻的毒性與其存在的價態(tài)有關(guān)，六價鉻比三價鉻毒性高100倍,并易被人體吸收且在體內(nèi)蓄積，三價鉻和六價鉻可以相互轉(zhuǎn)化。鉻的污染源有含鉻礦石的加工、金屬表面處理、皮革鞣制、印染等排放的污水。三價的鉻是對人體有益的元素，而六價鉻是有毒的。