化学 抛光是利用化学方法 , 在一定温度和时间的条件下 , 将铝制品置于抛光液内进行化学 反应以达到 光亮的表面. 化学抛光具有设备简单、节省电源 、效率高及成本低等优点 , 同时不受零件形状和尺寸的限制 , 因此应用较广 . 目前应用 较多 的铝 的化学抛光是磷酸一硫酸 一硝酸体系 的 “ 三酸 ” 抛光液 , 在抛光过程中产生大量的氮 氧化物气体即黄色烟雾 . 该气体毒性大 , 对人体有强 烈的危害 , 同时严重污染环境。政府已经出台了相关政策，严厉禁止乱排乱放，相关表面处理工厂必学购买除污设备和获取相关环保资格证书。目前已经关闭了3万多家表面处理工厂，还在使用三酸化抛液的可要警惕起来，千万不要跨越政府红线，污染环境。
所以从70年代以来 , 国内外都对铝 的化学抛 光进行了大量研究 , 以取代传统的 “ 三酸 ” 抛 光工艺 , 消除 污染 和危害 , 并取得 了 一定 的成果 . 这些配方均不产生黄烟 , 但其对材料的适应范围窄 , 大都只适用于 纯铝及铝镁合金 , 而且对光亮剂的作用机理的研究也很少 . 针对目前现状 , 本文对铝及铝合金的无硝酸化学抛光工艺进行了研究 , 提出 一种抛光质量好 、 无黄烟逸 出及适应 范围宽的配方 , 同时对光亮剂的作用机理进行了研究和探。
一、试验条件 及试验方法
- 试验中所用的试样为纯铝 L Z和 L F 2 . 规格为 50 mm X 50 mm X 0.5 mm .
- 腐蚀失重试验 1 为探讨腐蚀速度与抛光质量的关系 , 以及添加剂 对腐蚀速度的影 响 , 进行了失重试验 . 将抛光试样在抛 光前后 用 G T ZA 分析天平 (感量0 . 0 0 5 9 )各称一 次 , 计算出重量差 , 然 后用公式 ( 1) 计算出腐蚀速度：V=M/ST X 1/T；
- M— 抛光前后试样 的重量差 （g）;
- S — 试样面积（dm²） ;
- T — 抛光时 间(min) .
二、充电曲线— 拉普拉斯变换法测交流阻抗频谱图
为研究铝及铝合金酸性化学抛光机理 , 探讨光亮剂对抛光机理的影响 , 实验中采用恒电流充电曲线法测定过电位甲和时间关系曲线 , 在该曲线上取点输入计算机 . 用拉普拉斯变换法解出电极交流阻 抗的实部、虚部 , 最后绘制成交流阻抗频谱图 .
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充电曲线法实验采用二电极体系 , 测试线路如图所示研究电极为L2 , 暴露面积为1 cm². 其余各部分均涂以氯丁橡胶封样 , 起到绝缘作用. 用80 cm²铂做辅助电极 , 并兼作参比电极 , 目的在于排电信号的干扰 . 被测溶液见下表 1。
| 表 1 溶液成分和含量 (温 度 95 士 1 ℃ ) | ||
|---|---|---|
| 溶液编号 | 溶液成分 | 含量（ml/L） |
| A | H2SO4（d=1.84）,H3PO4（d=1.71） | 300,700 |
| B | H2SO4（d=1.84）,H3PO4（d=1.71），组合添加剂 | 300,700,20 |
表中d为密度 , 单位为g/cm³。
三、抛光表面光亮度测定
为评定抛光液的抛光效果 , 测定了抛光件的镜反射比 . 在实验中 , 将含铬电抛光液中抛出的试样作为标样 , 其光亮度定为 1 0 % , 用 目测法与其它抛光溶液中抛出的试样比较 , 试样光亮程度高于标样的 , 其光亮度大于1 0 % , 反之则小于 1 0 % 。
四、溶液配方的确定
三酸抛光溶液有氧化性很强 的硝酸是产 生黄烟的根源 . 因 此 , 去掉硝酸 , 重 新调整 磷 被 、 硫酸的 比例作为基液 , 在此基础上 , 选择 适宜的光亮剂 , 以达到 增加铝 表面光亮度的效果 . 为提高基液的光亮性 , 在溶液 中加入少量的添加剂就能显 著提高抛光性能 . 根据 化学 抛光的 固态 (氧化膜 )理 论 , 认为加 入重金属离 子有利 于氧化膜的生成 , 其中铜离 子 被认为具有典型 的整 平效果。试验 中加 入的无机盐 (如 : 硫酸镍 、 硫酸铜 、 硫酸钻及钥酸按 等 )都有增 光效果 . 抛光液中加入表 面活性剂 , 可 消除表面麻点 , 提 高整平 能 力 . 同时 抛光 时形成 的 泡 沫层还 可抑 制酸雾的逸 出 , 净化 了操作环 境 , 添加剂 的增光作用往往是几种物质的联 合作 用 的结果 . 通 过大量试验 , 确定了 以有机化合物 、 无机化合物 、 重金属 盐及 表面 活性剂为组成的组合添加 剂 , 加入到 基 液后 , 能 起到 很好的增 光作用 . 最后 确定 的无硝酸化学抛光液为
硫酸 (d = 1 . 8 4 ) 3 0 0 m l / L ; 磷酸 ( d = 1 . 7 1 ) 7 0 0 m l / L ; 组合添 加剂 20 m l/ L ; 温度 9 0 一 1 2 0 ℃
五、溶液中各成分作用
- .磷酸 、硫酸的作用磷酸 : 具有较高的粘度 , 它的主要作用是较缓慢和有选择地溶解铝 或铝 合金表面 组织微观 凸起部分 , 生 成粘性液膜 , 附着在制件表面 . 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 度低则抛光质量差 , 甚 至不 易抛光 . 如果其浓度过高 , 则抛光速度过慢 , 成本也增。
- 硫酸 : 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 光液 的活性 , 加快 抛光速度 , 同时适量的硫酸有增光作。
- 组合添加剂的作用在磷酸一 硫酸基液 中加 入组合添加剂 , 起 到 了提高抛光表 面光亮度作用 . 添加剂 中的有 机 化合物部 分 , 起 到 吸 附 、 加速粘性液 膜形 成的 作用 ; 无 机化合物 部 分 , 起 到 了促 进 表面 钝化 , 加 速 凸起部分溶解 的作 用 ; 表面活 性剂 则起 到 了润湿 表面 , 加快气体表面 的脱附 , 减少麻 点 , 抑制 酸雾的作用 . 从而 整 体上起到光亮 整平的增 光作用 . 添 加剂 含量对 腐蚀速 度及 光 亮度影 响 的实 验结 果如表 2所示 .
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从表2中可以看出 , 随着添加剂含量的增加 , 铝的腐蚀速度及抛光光亮度都是增加的 . 说明添加剂加入后, 增 加了 L F 2的溶解速度 , 加 快 了抛光速度 , 在 适宜 的范 围 内起到 了增光作用 . 添加剂 量为 10 一 3 0 m l / L . 加入添加剂 后 , 不但增加了抛光光 亮度 , 而且酸雾的逸 出也减少了。
六、工艺条件对抛光质量的影响
抛光液的温度和抛光时间是影响抛光质量的重要因素 . 温度和时间对抛光光亮度及腐蚀速度的影 响如图 2 、图 3所示 . 试验材料为 L F 2 , 抛光液为硫酸 : 300 ml , 磷酸 : 700 ml , 添加剂 : 20 ml –
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从图 2 、 图3可以看出 , 温度 、时间对腐蚀速度及光亮度的影响很大 , 特别是温度的影响更。
重要. 随着温度的增加 , 腐蚀速度大大增加 , 抛光的光亮度也有明显提高 . 温度高 , 抛光时间可缩短 . 但温度过高或时间过长会造成表面腐蚀加剧 , 降低表面光亮度 . 适宜的工艺范 围为温度 : 9 0 ~ 1 2 0 ℃ , 时 间 : 1 5~ 1 2 0 5 .
七、添加剂光亮作用机理探讨
采用充电曲线一拉普拉斯变换法测试并计算了交 流阻抗频谱, 结合抛光中腐蚀速度的关系探讨了添加剂的光亮作用机理 . 将表 1所列 A 、 B 两组溶液保持 95 ℃ , 从测得的刀一 t 曲线上的t 一 。 到 t 趋于稳 态所对应的专之间取17 个数据点 ( 见表 3 、 表 4 ) , 然后 将这 些数据输入计算机 , 用 拉普拉斯变换解 出 电极 交流 阻抗的实 部 、虚 部 , 绘 出交流 阻抗频谱图 , 结 果见 图 4 、 图 5
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从图 4 、 图 5中可算 出 , 在 基 液 中纯铝 的反 应电阻 R s=6 . 8 、 Qs = 2 5 0 0 拌F , 在加 入添 加剂 的抛 光液中 , 反应 电阻为 R , 一 s n 、 C , 一 1 5 2 6 uF . 从试 验结 果可 以看 出 , 在 抛光 液 中加 入添 加 剂后 , 电极 界面 的微分 电阻值降低 了 , 说明在 电极 表面 上 产生 了吸 附 . 若吸附 层 的厚度在 凹 处 大于 凸处 , 会使凹 处溶解速度低于凸处溶解速度 , 从而 起到 光亮整平作用 . 添 加剂 的第二个 作用是起催化作用 , 使凸处 更 易溶解 , 添加 剂中的重 金属离子在 电极 表面 会发生如下反应 : M e 2十 + Z e 一 M .e M e 原子沉积 在试样表面 处 , 为了保持 体系能量 最小状 态 , 将通 过扩 散稳 定在试 样 表面 凹 处 , 这使 得腐蚀 微 电池的 阴极面积增 加 , 从而促进凸 部 的溶 解 . 从 图 4 、 图 5 中可 以看 出加入 添加 剂后 , 电极界 面的微分 电容值降低了 , 说明溶解速度加快 , 起 到 了促进整平光亮作 用 . 组合光亮剂的光亮作用 主要表现在添加剂具有吸 附作用 , 吸附在凹处 , 降低了凹处 的溶解速度 . 同时添 加剂 中的重金属 离子还原在凹处 , 使凸部溶解速度加快 , 起到 光亮整平作用 . 添加剂中的表面 活性剂 , 使表面 润湿 , 促进气泡 快速析出 , 消除了表面 斑点产生。
八、结论
通过试验研究 , 得到 的铝及铝 合金无硝酸化学 抛光 工艺规范为 磷酸 ( d = 1 . 7 1 ) 7 0 0 m l / L ; 硫酸 ( d 二 1 . 8 4 ) 3 0 0 m l / L ; 组合添加剂 20 m l/ L ; 温度 9 0一 1 2 0 ℃ , 时 间 . 15 ~ 1 2 0 .5 通过对铝 的无硝酸化学 抛光 的研究 , 研制出一种 适合于铝合金 的组合添加 剂 , 加入到 磷酸 一硫酸组成 的基液 中 , 能 显著提高抛光的光亮度 . 抛 光过 程中不 产生黄色 烟雾 , 消除 了污染 . 该 工艺 配方简单 , 溶液稳定 . 研制 的组合添加 剂 , 能明显提高表面光 亮度 , 还可抑 制酸雾的逸 出 . 通过对添加 剂作 用机理 的探讨 , 可以看出添加剂 在 铝表面发生特性吸 附和起催化作 用 , 促 进 凸起部分加速溶解 , 从而导致铝及铝合金表面光亮整 平
参 考 文 献
1 王 祝堂. 铝材及其表面处理手册. 南京 : 江苏科学技术出版社 , 1 9 9 1 ；
2 空气净化手册 . 北京 : 电子工业出版 社 , 1 9 8 5 ；
3 公开特许公报 , 昭 54 一 3 2 6 1 3 ；
4 罗耀宗. 铝 合金的无黄烟 化学抛光 . 电镀与环 保 , 1 9 8 8 , ( 1 ) : 19 ；
5 陈大同. 关于化学抛光机理的 探讨. 天津 电镀 , 1 9 8 1 , ( 3
