铝表面处理

　　铝在地球上存在的比率仅次于氧、硅，是占第3位的元素，虽然比铁多，但作为金属产量，却比铁少。这是由于铝和氧的结合能大，从原料矿石铝钒土中精炼出铝要消耗大量的电能。但是，由于铝的熔点远比铁低，仅660℃，具有有利于从废料再生、进行再循环利用的优点。

　　铝的比重小于铁和铜，是适合于轻型零件的Z佳材料。通过添加铜、镁、硅等元素进行合金化可提高强度。但是，由于其质地比铁等金属软，容易损伤，在酸、碱等药物和腐蚀环境中容易被腐蚀。

　　铝在大气中会氧化而生成薄的自然氧化膜，具有一定程度的耐蚀性。可以采用阳极氧化表面处理的方法来强制性地增厚这种氧化膜，使其具有充分的耐蚀性。

铝的特性和表面处理

　　铝通过合金化可以提高机械强度和可加工性。铝合金分为加工性能良好的延展用合金和铸造性能良好的铸造用合金。延展用合金根据所添加元素的种类，可分成7大类:

　　①纯铝系(A1000系);②铝-铜系(A2000系);③铝-锰系(A3000系);④铝-硅系(A4000系);⑤铝-镁系(A5000系);⑥铝-镁-硅系(A6000系);⑦铝-锌系(A7000系)。

　　铸造用合金也同样是根据所添加元素的种类进行分类。

　　这些铝合金的表面处理特性由于添加不同的元素而有很大差异。一般，镁的添加对表面处理特性无甚影响，但铜硅等的影响很大，以致难以施行良好的表面处理。因此，相应于产品的用途和对表面处理所要求的性能，选择适当的表面处理种类和方法乃至为重要。

铝材表面处理

　　铝材表面处理和其他金属材料一样，可以按其用途进行电镀、涂覆等表面处理，但以阳极氧化表面处理Z多。在进行这些表面处理时，为了清洁原料表面或调整表面，需进行抛光、化学抛光、脱脂、浸蚀等前处理。

　　进而，通过机械喷砂处理、发状裂纹处理、化学梨皮面处理等而赋予表面以装饰性。另外，通过化学抛光、电解抛光可以得到光亮的金属光泽面，作为反射镜等使用。

　　通过表面处理可进行各种颜色的着色。特别是阳极氧化膜着色，可获得多色彩膜或高耐光性膜。进而，通过所谓封孔处理等后处理，可以得到适合户外使用的高耐蚀性膜。

铝表面氧化处理——阳极氧化

　　阳极氧化处理是通过枉电解浴中进行电解处理，而在铝的表面形成氧化膜的处理方法。除铝以外，镁、钦等合金表面也可进行阳极氧化处理。

　　在铝的阳极氧化中，由于原材料铝发生氧化而形成膜，该膜对基材有着优良的附着性。膜自表面向内部成长。通常膜的表面为Z早生成的部分。

　　阳极氧化膜可分为两大类:

　　①多孔质型：多孔质型膜是在硫酸、草酸等酸电解浴中生成，并垂直于表面形成非常细微的孔(10-40nm)的膜。

　　②壁垒型：是在硼酸按等中性盐电解浴中生成的无孔的极薄的膜，通常被用于电解电容器等。

　　用于形成多孔质膜阳极氧化处理的电解液有硫酸、草酸、铬酸及其它有机酸，分别得到各异的膜特性。目前，以硫酸浴用得Z多，所获得的膜无色透明。草酸浴中所获得的膜着金黄色，比在硫酸浴中得到的膜耐蚀性高。从环保考虑铬酸浴已渐不使用。但其膜的抗弯强度高、挠性好，主要用于飞机零件上。

　　硫酸浴一般采用直流电源电解，但用交流电也能得到阳极氧化膜。交流电解得到的膜耐蚀性差。草酸浴也能用直流电解，但通常是采用在直流上叠加交流成分的交直流重叠电解方式。

　　电解方法有恒电流电解和恒电压电解两种方式。在能正确计算被处理材料面积的情况下，进行由电流密度和处理时间来控制膜厚的恒电流电解，但通常多采用恒电压电解的运行管理。

　　纯铝的硫酸浴直流电解阳极氧化膜是无色透明的，但根据合金种类的不同，可以得到不同着色的膜。另外，如前所述，根据电解浴、电解方法，也有着色的情况，这些着色膜被称为自然发色膜。自然发色膜随着膜厚的增加、颜色也变深。

　　其它阳极氧化膜的着色方法有染色法和电解着色法。染色法是将多孔质膜浸人于水溶性有机染料或无机染料溶液中，使膜孔吸附染料的着色方法。此外，还有将油溶性有机染料用印刷、复制等方法浸透到膜孔中的着色方法。染色法能照原维持铝的光泽，由于能用各种染料着色，故富于创意性。但由于染料的作用不耐紫外线，故在户外环境使用时，必须注意。

　　电解着色法是在镍、锡等的金属盐溶液中将经过阳极氧化处理的铝作为阴极进行电解，使膜孔中析出金属微粒的着色方法。

　　电解着色膜并不是使膜中析出的金属粒子着色，而是由于人射到膜中的金属微粒子的光发生散射而显现着色，其色调于青铜色、瑰拍色、黑色。为了改善这一缺点，可采用分二阶段进行阳极氧化来改变膜的结构，通过引起光的干涉作用而开发了能显示兰色、绿色等色彩的三次电解着色膜。

　　多孔质阳极氧化膜由于存在许多直达基体的孔，所以，不可过于期望能保持原有的耐蚀性。除了特殊用途之外，一般在阳极氧化处理后要进行所谓封孔处理以提高耐蚀性。封孔处理是利用膜的氧化铝和水反应而生成称之为γ-水铝石的水合氧化物的这一反应，由于生成的γ-水铝右的体积膨胀，堵塞膜孔进口，从而提高耐蚀性。

　　封孔处理有将被处理物放人蒸汽釜中进行蒸汽加压的蒸汽封孔法，以及在热水中浸演的沸腾水封孔法。

铝表面处理——化学转化处理和涂装

　　化学转化处理不同于阳极氧化和电镀处理，是将被处理物浸于处理液中，或将处理液喷射、涂敷到被处理物上使二者接触，不使用电能而通过化学方法析出膜的技术。

　　在铝的场合，通过在酸性溶液中的氢离子的扩散，在碱性溶液中的氧的扩散而使金属界面上的pH上升，引起不溶性盐析出而成膜。膜的种类分铬酸盐系膜和非铬酸盐系膜。处理方法分化学转化型和涂数型。

　　铬酸盐系膜又分碱性酪酸盐和酸性铬酸盐化学转化处理。Z近，以酸性铬酸盐为主。酸性铬酸盐有六价铬的铬酸铬酸盐和3价铬的磷酸铬酸盐。

　　铬酸铬酸盐处理液以格酸为主要成分，还含有浸蚀剂、氧化剂、加速剂等。膜的色彩随着膜量的增加，呈无色、淡黄色、金黄色、赤褐色、茶褐色的变化。铬酸铬酸盐的特点是，当膜发生缺陷时，Cr+6会由膜的其他部分发生迁移而修补之。

　　磷酸铬酸盐处理液包括铬酸、磷酸、浸蚀剂、氧化剂。膜的色彩随着膜厚的增加，呈无色透明、淡绿色、绿色变化。

　　铬酸盐系化学转化处理含有铬，其产品废弃时铬会引起污染，因此，开发了不含铬的非铬酸盐系化学转化处理法。

　　已经实用化的非铬酸盐系化学转化处理有铝制饮料罐体使用的磷酸错系化学转化处理;用于汽车车体零件的钢、铝复合板整体处理的磷酸锌系化学转化处理。还提出了钦系化学转化处理、钥酸系化学转化处理等其它一些处理方法。

　　在对铝表面进行涂装的情况下，为了提高涂料的附着性，一般要进行基底处理，主要是对基底进行铬酸盐系和非铬酸盐系化学转化处理。

　　其它还有在添加弱碱性物质的纯水中进行煮沸的γ-水铝石处理法。此外，也有将阳极氧化膜作为基底的情况。对于未进行化学转化处理、阳极氧化处理的情况，要进行涂底层涂料(底徐)处理。

　　铝的涂装方式很多，特别重要的是在对窗框，幕墙等进行处理时所采用的对基底阳极氧化膜进行电泳涂覆的复合膜处理。

铝表面处理——电镀

　　众所周知，由于铝的表面有自然氧化膜，所以是难以进行电镀的金属。为了得到附着性良好的镀膜，需要进行许多前处理工序。一例标准铝的电解镀的工序为:

　　碱脱脂→碱浸蚀→去除酸洗残渣→一次锌置换→锌剥离→二次锌置换→功率镍触击电镀→氰化铜触击电镀→镀氰化铜→镀三层镍→镀铬

　　脱脂作为清除表面油污的一种预清洗，可使用溶剂系或乳剂系清洗剂，本例是采用碱系脱脂剂。为了确保镀膜和基材有良好的物理附着，要进行旨在粗化表面的浸蚀。浸蚀液有强碱型和软酸性型。

　　为了提高铝和镀膜的附着性，要去除氧化膜而为了YZ氧化膜的生成，需要进行锌置换(锌酸盐)处理。如果将铝浸在含有锌离子的强碱溶液中，则铝的氧化物就逐渐溶解而在露出的铝上析出锌。为了使析出的锌粒子致密，采用了用稀硫酸将一度析出的锌溶解后，进行再度锌置换的双重锌酸盐法。

　　即使在锌酸盐处理后，直接电镀也会引起附着不良，因此要在触击电镀(大电流快速电镀)后进行必要的电解镀才能得到和其他金属材料同样良好的镀膜。

　　Z近，对铝实行非电解镀后再进行电解镀的情况也很多，铝的非电解工序为:

　　碱脱脂→浸蚀→去除酸洗残渣→一次锌置换→锌剥离→二次锌置换→非电解镀镍

　　铝的非电解镀的前处理也和电解镀一样，适宜采用双重锌酸盐处理。作为铝电镀之用途的实例，可举出汽车零件，特别是铝车轮等。

铝表面处理高功能化应用

　　1、功能性阳极氧化膜

　　铝表面处理的主要目的是提高耐蚀性，但也在多方开发利用阳极氧化膜的多孔质特性而使膜具有某种功能性的产品。下表列出多种功能的分类。

　　在“KJ氧化铝膜”铝的场合，称具有这些功能的膜为高功能膜。其中之一是具有KJ能力的所谓“KJ性氧化铝膜”。

　　“KJ性氧化铝膜”是将KJ成分浸透到膜的孔中并在膜孔中析出，从而使之具有KJ性作用。人们早就知道，银、铜、锌等金属离子具有KJ作用，通过用含有这些金属之离子的热水进行封孔处理就能具有KJ性。

　　Z近，备受关注的KJ物质是二氧化钛。二氧化钛通过紫外线的作用，在表面生成活性氧类，而此活性氧显示出KJ作用。除了KJ作用之外，它还有脱臭、防尘、分解室内挥发性有机化合物(VOC)的作用等，所以又开发了通过在铝建材表面涂敷涂料，而获得具有防污性的产品。目前，主要是涂敷含二氧化钛涂料的方法，也正在开发在阳极氧化膜孔中析出二氧化钛的方法。

　　碘是具有杀菌作用的物质。在阳极氧化处理后，假如再在水溶性有机碘化合物溶液中以150V左右的电压进行电解，则膜孔中就因碘电泳而发生电极沉积。这种膜的着色是碘特有的橙黄色一褐色，通过碘化物离子因空气中的水分而溶出而具有杀菌作用。另外，由于这种膜的耐磨性良好，所以可考虑用于滑动零件。

　　假如这些KJ氧化铝膜的表面不存在KJ物质，无疑就不具有KJ作用，所以经封孔、涂装等后处理后，就不能期望其KJ性的提高。因此，在使用时必须考虑使用环境。

　　“润滑性膜”是向阳极氧化膜孔中充填固体润滑剂，以减小表面的摩擦系数，减缓磨损的所谓润滑性氧化铝膜。

　　对于利用轻质铝制造的汽车的滑动零件，应用硬质氧化铝膜，但单纯的硬质膜容易产SF热胶着和称为咬住的粘着。为了防止这一缺陷，采用了多种赋予硬质膜以润滑特性的方法。

　　赋予润滑性的方法有将润滑物质浸透或吸附在膜孔中或膜表面的方法，以及将润滑物质弥散分布于膜表面而形成涂膜的方法。作为润滑物质，有聚四氟乙烯、石墨、二硫化铝等，它们可以用浸透、电泳沉积、二次电解等方法附着在膜中或膜表面。

　　2、多孔质结构的控制

　　铝多孔质阳极氧化膜存在许多垂直于膜的直通的六角形孔。这种孔的孔径在数十至数百nm范围内，与电解液的种类及电解电压有关。

　　通常，阳极氧化膜的孔的排列是不那么规则的，秩序是紊乱的。都立大学的益田开发了控制此排列使之有序化的技术。通过使用用电子束金属版印刷术制作的具有规则的凸起排列的模型，将此模型压紧在铝表面上(压印)进行变形处理，由变形处理产生的凹陷点就成为阳极氧化处理时产生微孔的起始点，从而形成具有规则的微孔排列的膜。

　　这种微孔高度规则排列的阳极氧化膜，从其具有的高纵横尺寸比(孔长/孔径比)，可作为制造纳米设备的起始结构而得到了大量的研究。

　　多孔质阳极氧化膜的微孔由于采取致密的填充结构(六方排列)，所以构成六角形状。但假如制作时采用压印模作成三角形或四角形的模型，那么就能作具有三角形或四角形微孔的膜。

　　3、氧化铝膜催化剂

　　以多孔质铝阳极氧化膜作为催化剂载体的氧化铝膜催化剂正在被实用化。铝的阳极氧化膜是铝的氧化物其化学组成与迄今作为催化剂载体被广泛使用的氧化铝的化学组成相同。同球状或粉状氧化铝相比，阳极氧化的铝可以设计成随意的形状，从而具有能在膜孔中制作担当催化成分且附着性良好的催化剂等特点。

　　东京农工大学的龟山等人进行了扩大阳极氧化膜孔径的微孔扩张处理，进而开发了通过用热水处理进行拟γ-水铝石化的后加热，使之结晶化的催化剂载体的制造方法。在这种催化剂载体中，开发了用氧化铝膜催化剂担当白金作用的VOC排气去除装置。

　　4、绝缘击穿的阳极氧化

　　铝的多孔质阳极氧化膜主要由氧化铝构成，几乎没有结晶化。若加热阳极氧化膜，则自500℃就开始结晶化，一旦超过900℃，膜就失去透明性而呈白色。但是，这个温度超出铝的熔点，因而通过加热而使在铝上形成的膜发生结晶化是不实用的。

　　假如采用恒电流电解进行阳极氧化，随着膜厚的增加，电解电压上升。一旦超过某一极限值，就会发生膜的绝缘击穿，开始出现伴随着发生火花的放电现象。

　　放电时的膜表面形成高温，促使膜结晶化。结晶化的膜呈白色、坚硬，变得不耐酸、碱等药物的侵蚀。因击穿时发生气体而形成许多大小不同的孔，导致基体没有足够的耐蚀性。

　　绝缘击穿的阳极氧化膜不能像通常的阳极氧化膜那样利用水合反应进行封孔处理。因此，为了提高耐蚀性，需采用硅酸盐封孔处理或涂装等方法。由于绝缘击穿的阳极氧化膜具有一般阳极氧化膜所不具备的特长，故今后可望拓展用于多种用途。