铝材及铝制品电解抛光处理的缺陷原因、预防与消除措施

铝材及铝制品电解抛光处理的缺陷原因、预防与消除措施

铝及铝制品电解抛光（铝抛光系列文章第十篇） （黑龙江哈尔滨） 摘要：铝及铝制品电解抛光过程中可能出现各种缺陷，其中最常见的有白霜、点蚀、气泡等。阐述了这些缺陷产生的原因、防止和消除措施。产生白霜的主要原因有磷酸浓度过高、电解温度低、硫酸稀、水分少等。铬酸含量高、温度高、电流密度大、硫酸含量低时易发生点蚀。电解抛光后的铝制品反射率最高、耐腐蚀性最强、寿命最长。 关键词：白霜、磷酸铝沉淀、多元醇聚合物、点蚀、反射率、电解抛光。影响电解抛光质量的基本因素有电解液成分、电流密度、电压、溶液温度和电解时间等，此外还应考虑阳极运动状态、阳极尺寸、极间距离、电解液体积和溶液流量等。 铝及铝件在电解抛光过程中最常见的缺陷就是白霜或起霜。如前所述，铝的电解抛光与阳极氧化都是一种阳极氧化过程，二者有许多相似之处。其主要区别在于前者的氧化膜处于生成（在铝与其氧化物的界面处）和溶解（在氧化物与溶液的界面处）两个现象的动态平衡之中，而后者的氧化膜则随着氧化时间的增加而变厚。当电解抛光条件接近阳极氧化条件时，就会出现白霜缺陷。白霜究竟是什么、其成分是什么，目前尚无定论，有人认为它是磷酸铝的沉淀，也有人认为它是铝表面形成的钝化膜。

霜化现象会在工件局部形成，这是因为该处氧化膜形成不够快，造成电解不充分，不能代替阳极氧化。如果将工件取出，清洗干净，重新进行电解抛光，氧化物就会溶解，霜化现象也会消失，但霜化现象会在其他地方形成。调整溶液组成，改变处理工艺，可以控制此类缺陷的产生。例如在磷酸、硫酸溶液电解抛光中，磷酸浓度过高，硫酸浓度过高或过低都会产生霜化现象。温度过低，电流密度不合适，也会诱发此类缺陷。 1溶液组成对霜化现象的影响 磷酸在电解抛光过程中主要作为溶解氧Al2O3+=2Al(H2PO4)3++=2Al(H2PO4)+3H2形成糖浆状的粘稠膜层，对工件表面抛光即整平、光亮度起着决定性的作用，但对霜化现象的形成也有很大影响。冯宝义等有研究表明，在含磷酸（30-30%）PEG添加剂（20）溶液（温度80-90，电流密度30）中进行电解抛光，可以提高磷酸浓度，提高工件光亮度，降低电流密度，降低电耗，但磷酸含量过高，会出现白霜〔31〕（表24）。表24 磷酸含量与白霜关系H3PO4含量允许电流密度A/dm工件表面质量20-75良好30-30~50镜面40-30白霜电解抛光液中添加硫酸有以下作用：稳定电解抛光过程、降低抛光温度、提高溶液电导率、降低工作电压、降低能耗、提高铝的允许含量、延长槽液寿命等。

但当硫酸含量超过一定限度时，会增强溶液的氧化能力，使电解抛光转向有利于阳极氧化过程的方向，诱发工件表面产生白霜；硫酸含量过低，也会引起铝表面产生白霜。因此，溶液中的硫酸含量应始终保持在工艺规范允许的最佳范围内。大多数电解抛光液中都含有醇类等添加剂，因为醇分子能形成氢键缔合，在抛光工件表面形成一层粘性膜层，使凹陷处处于稳定的钝化状态，而凸起处则以更快的速度溶解，最终获得光滑亮丽的表面。醇分子的缔合结构为：这就是为什么小分子醇常被用作电解抛光液添加剂的主要原因，但大分子多元醇聚合物也可用作抛光液添加剂。 但它们的分子链较长，且柔韧，在溶液中能以不规则的线团形式运动，同时大分子内部或大分子之间链段间存在不同程度的缔合、缠结和内摩擦，因此含多元醇聚合物的电解抛光液的粘度比含小分子醇的溶液的粘度大得多。多元醇聚合物的分子量若过大或加入量过多，溶液的粘度就会明显增加，不利于工件表面凸起部位的活化，溶液会滞留，不易更新，阳极氧化膜溶解产物向溶液中的扩散速度就会减慢，进而这些地方氧化膜的溶解速度就会下降，有碍抛光整平效果。 同时由于这些处前端氧化膜溶解产物过多，导致溶液的粘度进一步增大，造成氧化膜生成速率与溶解速率之间正常的动态平衡被破坏，不仅会造成白霜的形成，而且会影响抛光过程的正常进行。

如果电解抛光液过稀，水分过多，工件表面可能会出现白霜，可采取加热措施，将水分蒸发到要求的量，即可消除这种缺陷。 工艺参数对白霜的影响 在铝件及铝材电解抛光过程中，电流密度对抛光表面质量有着极其重要的影响，过大或过小都会出现白霜，因此需要保证电流密度适中，维持电解抛光过程有足够的氧化功率，利于氧化膜的溶解，从而避免白霜的产生。 电解抛光温度是保证电解表面质量的重要工艺参数之一，温度由电解液的组分、电流密度、是否搅拌等因素决定。 对于铝的电解抛光，只有当溶液具有足够的活性使铝表面氧化，并有较大的溶解度，使氧化膜以稍低于氧化膜生成速度的速度溶解时，电解抛光过程才能有效地进行。如果温度过低，电解液的粘度增大，离子的扩散速度减慢，阳极氧化表面就会出现白霜。应及时提高溶液温度。在某些电解抛光过程中，必须对溶液进行搅拌，因为随着抛光的进行，阳极反应的产物会在铝表面的前沿堆积，形成粘稠层。如果扩散和自然对流不足以使阳极反应的产物及时离开铝表面，新鲜的电解液就不能及时、足量地到达阳极，就不能保证正常的电解过程，为铝件表面形成白霜创造了有利条件。为此，适当的搅拌是必要的。 点蚀或孔蚀也是铝及铝制品电解抛光过程中较常见的缺陷之一，特别是在使用含铬酸的溶液时，铬酸含量高、温度高、电流密度大、硫酸含量低、无搅拌等是造成点蚀的主要原因。

溶液组成对点蚀的影响使用含铬酸的电解抛光液，不仅会造成环境污染，而且增加废液再生回收设备，增加投资和生产成本。同时，如果不控制溶液组成，铬酸含量过高，会引起点蚀，达不到要求的光亮度，甚至产生废品。因此，铬酸含量最好控制在稍低的水平。如前所述，硫酸含量在铝电解抛光中起着重要作用。过少不仅不利于抛光过程的顺利进行，而且容易产生点蚀。为了避免这种现象，应严格控制槽液的成分，及时调整成分。硫酸应控制在稍高的水平。PEG添加剂对表面腐蚀也有一定的影响。适当选择PEG的分子量和添加量，一方面有利于抛光效果的顺利进行。 另一方面，当断电，停止氧化析出时，工件表面又能很快恢复黏度，使工件表面很快钝化，不至于引起过度腐蚀，而可获得光亮的镜面表面质量。因此，添加剂种类的选择及其含量的确定和保持在适当的范围内，工艺参数对点蚀的影响在铝电解抛光过程中，电流密度对抛光表面质量有相当大的影响，电流密度过低，工件处于活化状态，只发生通常的阳极溶解，很少发生极化，造成表面腐蚀，亮度降低。电流密度过大，工件上会析出大量的氧，表面过热，产生电化学腐蚀。电流密度必须适中，以避免发生腐蚀。

电解液温度过高，粘度会大幅下降，离子扩散速度加快，铝及氧化铝膜溶解速度加快，工件表面容易产生过腐蚀，形成腐蚀点，影响光洁度。因此，应防止温度过高。只有当电解液密度过高，粘度过大，易产生白霜时，才可以采用较高的工作温度。最佳工作温度取决于槽液的成分、电流密度、搅拌条件等。搅拌对于某些电解抛光工艺必不可少，可以防止产生白霜，避免点蚀。搅拌电解液的好处：可以防止工件表面过热，使电解温度均匀；可以提高极限电流密度，从而提高抛光效率；可以及时有效地驱散工件表面滞留的气泡，既可以避免工件上产生点蚀缺陷，也不会造成“条纹结构”问题。 由于氯含量过高引起的点蚀如图31所示。在碳酸钠和磷酸钠溶液中电解抛光的常见缺陷、原因及消除措施见表13。 电解抛光质量 铝及铝制品经电解抛光后的反射率往往比机械抛光和化学抛光的材料要高。特别地，在段落中描述了用碳酸钠和磷酸钠溶液电解抛光后的铝的反射率。 现在，对影响铝电解抛光后反射率的因素作一个总体的介绍。 铝的纯度对反射率的影响最大。因此，在电解抛光前应认真选择材料。图29为铝纯度对抛光后亮度的影响[22] 图29 电解抛光铝的反射率与其纯度的关系 按照方法电解抛光的高纯度铝及其合金的反射率见表25。

高纯铝经阳极氧化处理后的氧化膜厚度通常为10μm，反射率最高，耐磨、耐腐蚀性能好。从列出的数据可以看出，Al(9999%)-20%Mg合金的反射率只比Al(9999%)-20%Mg合金的反射率略高，但后者的力学性能却远高于前者。因此，%Mg合金得到了更为广泛的应用。 表25 高纯铝及其合金电解抛光后的反射率（以镀银为100）9999%Al 86 8783%Al %Mg合金 86 8783%Al 2%Mg合金 855 86582 83目前，由于高纯镁的工业化生产，9985%Al的价格比9999纯铝低得多，因此，除非特殊情况，否则不太采用后者高纯铝及其合金作抛光材料。阳极氧化工艺条件和氧化膜厚度对电解抛光材料的反射率也有很大影响，通常在硫酸溶液中阳极氧化时，溶液温度较高，电流密度较低，酸浓度高，可得到最高的反射率，但此种条件下生成的氧化膜硬度不高，耐磨性最低。 因此在生产中应根据产品的用途选择阳极氧化条件，以获得最佳的综合性能，例如对耐磨性要求不高，但要求反射率最高的产品，可按上述条件进行阳极氧化。

此外，生产实践证明，低阳极氧化电压的效果与高处理温度、低电流密度、高硫酸浓度的效果相同，可得到较高的反射率。有时，为了得到最理想的反射率，应在阳极氧化前除去工件电解抛光时形成的表面氧化膜。为此，可将工件短时间浸入极稀的氢氧化钠溶液或铬酸溶液中。硫酸溶液也有很强的剥离作用。随着汽车工业和内外装饰业的发展，装饰铝材和装饰工件的需求量不断增加，装饰抛光的工作量也随之增大。有时甚至需要将几种不同合金的工件混合在一起进行阳极氧化。为保证质量，应特别注意调整电流密度、电压等工艺参数。图30为5252金的装料量与阳极氧化处理的电流密度、电压的关系，以及搅拌槽液的有无的关系。 5657、5457、5252合金均属于铝镁合金，广泛应用于汽车装饰件的制造，其成分（%）：5657 10Mg；5457合金、008Si、010Fe、020Cu 045Mn、005Zn、005V 5252合金、008Si、010Fe、010Cu、010Mn