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表面使用無(wú)鉻鈍化，其鈍化液中不含鉻及鉻的任何價(jià)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(shí)，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(huì)存在對(duì)人體有害的鉻。有些人認(rèn)為三價(jià)鉻也是無(wú)鉻鈍化，這是非常錯(cuò)誤的觀念，因?yàn)槿齼r(jià)格也能最終轉(zhuǎn)化為六價(jià)鉻，因此，真正的無(wú)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(wú)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(zhǎng)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(lái)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(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)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(wú)鉻鈍化技術(shù)研究的熱點(diǎn)。技術(shù)先進(jìn)、環(huán)保節(jié)能的鋁合金表面無(wú)鉻轉(zhuǎn)化膜處理技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用和推廣對(duì)于節(jié)約能源、促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。
圖為：無(wú)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(wú)鉻鈍無(wú)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(guò)實(shí)驗(yàn)確定了雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化的最佳工藝。研究表明,通過(guò)大量的物理性能檢測(cè)和化學(xué)性能的試驗(yàn),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(lái)，無(wú)鉻鈍化工藝已經(jīng)在應(yīng)用生產(chǎn)過(guò)程中取得了積極的進(jìn)展，無(wú)鉻鈍化工藝毫無(wú)疑問(wèn)就是未來(lái)的發(fā)展方向。目前應(yīng)用的無(wú)鉻鈍化技術(shù)主要包括三種：三價(jià)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(gè)缺點(diǎn)而使它們的應(yīng)用受到影響或限制：第一，處理過(guò)程中轉(zhuǎn)化液需要加熱到40℃，耗費(fèi)能源;第二，只適用于一般鋁合金，對(duì)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(jià)鉻鹽、高錳酸鹽和鋯鈦鹽的濃度變化對(duì)轉(zhuǎn)化膜的質(zhì)量影響非常大，因此，必須經(jīng)常對(duì)這些鹽的濃度進(jìn)行復(fù)雜的化學(xué)分析。
雖然無(wú)鉻鈍化處理技術(shù)存在著上述中的種種問(wèn)題，但是無(wú)鉻鈍化工藝無(wú)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(wú)鉻鈍化。
三、研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介
本實(shí)驗(yàn)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(cè)試。
工藝流程是：除油脫脂→兩道水洗→無(wú)鉻鈍化→自然晾干→進(jìn)爐烘烤
本工藝先通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，找到各因素的最佳范圍，再綜合考慮成本，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(yàn)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(cè)試嚴(yán)格依據(jù)國(guó)標(biāo)檢測(cè)方法進(jìn)行，然后篩選出符合檢測(cè)試驗(yàn)要求較好的工藝。
四、鋁材無(wú)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(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(duì)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(guò)低時(shí)，成膜反應(yīng)速度過(guò)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(guò)高時(shí)，成膜反應(yīng)速度過(guò)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(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(shí)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(duì)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(guò)低時(shí)，起不到參與成膜的作用，成膜反應(yīng)速度過(guò)慢，鈍化膜較薄，耐蝕性較差;若氟鋁酸鹽的含量過(guò)高時(shí)，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(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，得知PH值的最佳工藝范圍為2.0～3.0。在大量的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(diǎn)時(shí)鈍化膜的形成速度最快，完整性最好，致密度最高，同時(shí)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(zhǎng)速度減慢，耐蝕性下降;如果PH值低于臨界值時(shí)，鈍化膜的生長(zhǎng)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(shí)間為30sec、60sec、90sec、120sec、150sec、180sec，其它條件不變，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析，得知反應(yīng)時(shí)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(zhǎng)速度快，膜層不斷增厚，當(dāng)鈍化膜完全覆蓋整個(gè)鋁材基體時(shí)，鈍化膜的生長(zhǎng)基本結(jié)束，此時(shí)，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(shí)間過(guò)短，鈍化膜的成長(zhǎng)速度過(guò)快，形成的鈍化膜不完整，耐蝕性較差;如果處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于在酸性溶液環(huán)境下處理時(shí)間長(zhǎng)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(shí)間條件下，才可形成性能較好的鈍化膜，對(duì)鋁材有較好的保護(hù)作用，確定反應(yīng)時(shí)間在60～120sec范圍之間最好。
2、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
確定雙氧水和氟鋁酸鹽制備鈍化膜的處理液，經(jīng)過(guò)研究分析得出，處理液的PH值、處理的時(shí)間、雙氧水的濃度、氟鋁酸鹽的濃度這四個(gè)因素對(duì)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(yàn)對(duì)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(cè)試驗(yàn)作為判斷的指標(biāo)，通過(guò)檢測(cè)對(duì)比分析四個(gè)因素對(duì)成膜性能的影響，最終確定得出成膜的最佳工藝參數(shù)。
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水平 |
因素 |
|
A |
B |
C |
D |
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氟鋁酸鹽濃度(g/L) |
雙氧水濃度(ml/L) |
處理液
PH值 |
處理的時(shí)間
(sec) |
|
1 |
2.0 |
20 |
2.0 |
60 |
|
2 |
2.5 |
25 |
2.5 |
90 |
|
3 |
3.0 |
30 |
3.0 |
120 |
3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
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實(shí)驗(yàn)
編號(hào) |
A |
B |
C |
D |
指標(biāo) |
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氟鋁酸鹽濃度(g/L) |
雙氧水濃度(ml/L) |
處理液
PH值 |
處理的時(shí)間
(sec) |
涂層
附著性能 |
|
1 |
2.0 |
20 |
2.0 |
60 |
1級(jí) |
|
2 |
2.0 |
25 |
2.5 |
90 |
0級(jí)一般 |
|
3 |
2.0 |
30 |
3.0 |
120 |
0級(jí)較好 |
|
4 |
2.5 |
30 |
2.0 |
90 |
1級(jí) |
|
5 |
2.5 |
20 |
2.5 |
120 |
0級(jí)較好 |
|
6 |
2.5 |
25 |
3.0 |
60 |
0級(jí)最佳 |
|
7 |
3.0 |
25 |
2.0 |
120 |
1級(jí) |
|
8 |
3.0 |
30 |
2.5 |
60 |
0級(jí)一般 |
|
9 |
3.0 |
20 |
3.0 |
90 |
0級(jí)一般 |
根據(jù)上述正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，各因素對(duì)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(shí)間，針對(duì)處理液PH值的重要性，通過(guò)上述正交試驗(yàn)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(shí)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(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)表中可以看出處理時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)成膜的影響最小，確定鈍化處理時(shí)間在90sec狀態(tài)較好。
綜上所述，四因素三水平正交試驗(yàn)的較優(yōu)水平為A2B2C3D1。
五、鋁材無(wú)鉻鈍化實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果
本文采用雙氧水-氟鋁酸鹽鈍化工藝對(duì)鋁合金噴涂無(wú)鉻前處理技術(shù)的研究，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)鈍化膜的形成速度最快，完整性最好，致密度最高，同時(shí)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(shí)間為90sec，處理溫度為常溫。
六、技術(shù)優(yōu)勢(shì)概述
研究表明,利用氟離子對(duì)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(diǎn)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(jià)鉻鉻和磷酸鹽，生成的轉(zhuǎn)化膜自然不含六價(jià)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(duì)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(duì)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(shí)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(jiǎn)便
處理過(guò)程關(guān)鍵的控制條件是PH。雖然鋁刻蝕過(guò)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(wú)關(guān)，結(jié)果使得轉(zhuǎn)化反應(yīng)過(guò)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(guò)程工藝控制操作簡(jiǎn)單，使用、維護(hù)方便。
4、適用范圍廣、通用性好
通過(guò)在轉(zhuǎn)化液中加入配位化合物絡(luò)合反應(yīng)過(guò)程中鋁合金表面溶解出來(lái)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(duì)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(jià)鉻鹽、高錳酸鹽和鋯鈦鹽三種鋁合金表面無(wú)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(jiǎn)便、適用范圍廣泛等許多優(yōu)點(diǎn)而具有極強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊。
延伸閱讀：
鉻(Chromium)，化學(xué)符號(hào)Cr，單質(zhì)為鋼灰色金屬。元素名來(lái)自于希臘文，原意為“顏色”，因?yàn)殂t的化合物都有顏色。鉻的毒性與其存在的價(jià)態(tài)有關(guān)，六價(jià)鉻比三價(jià)鉻毒性高100倍,并易被人體吸收且在體內(nèi)蓄積，三價(jià)鉻和六價(jià)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(jià)的鉻是對(duì)人體有益的元素，而六價(jià)鉻是有毒的。
