铝镁及其合金制品的表面处理加工：提升性能与保护质量的关键

铝镁及其合金制品的表面处理加工：提升性能与保护质量的关键

铝镁及其合金电镀涂装技术

周嘉瑜

铝镁及其合金质量轻、比强度高，具有良好的物理、力学性能和成形加工性能，目前已成为继钢铁之后第二、第三大金属工程材料，广泛应用于航空航天、机械制造、电子电器、交通运输、建材装潢、日用品制造等行业。随着科技的飞速发展，铝镁及其合金产品的市场需求量越来越大，产品的应用范围也越来越广。

铝、镁及其合金具有较高的化学性质，其制品在自然环境中极易受到腐蚀，因此这些金属制品必须进行表面处理，以保护材料品质不受破坏，并附加材料本身不具备而希望具有的其他性能，如耐磨性、润滑性、导电性、焊接性等，从而提高产品的技术含量，能满足高技术性能的要求，提高可靠性、装饰性和使用寿命，显著提高产品在市场上的竞争力。

铝、镁及其合金制品的表面处理技术长期以来以转化膜技术为主，近年来，在传统工艺基础上发展了一系列表面处理工艺；另一方面，采用以化学转化膜为基础的新的表层处理工艺、技术和方法，在转化膜基体表面镀上各种金属膜层和各种有机膜层，如化学镀、电镀等，以获得更高质量的产品，满足日益增长的市场需求。

目前，铝、镁及其合金的表面处理工艺主要有化学转化膜、阳极氧化、化学镀、电镀、电泳涂装、粉末喷涂等，下面分别叙述和介绍。

1. 化学转化膜及着色

铝镁合金化学镀工艺与其它金属基材的不同主要在于镀前的预处理。这是因为铝镁合金存在很多不利于镀层的因素，主要表现在：

1、铝、镁的化学性质活泼，与氧的亲和力较强；

2、铝、镁的标准电极电位很负，比其他被镀金属低得多；

3、铝是两性金属，能溶于酸和碱，因此在酸性或碱性镀液中都不稳定；

4、铝、镁的线膨胀系数与很多金属有很大差别；

5、铝、镁及其合金中常含有硅、铜等元素，合金中的第二相往往具有与基体不同的电化学性质；

6、铝镁合金铸件常常存在砂孔、气孔、夹杂等表面缺陷。

基于以上特点，为了克服化学镀（或电镀）的困难，关键是要除去工件表面的氧化膜，在工件表面形成一层能与镀层很好结合的、具有特殊结构的人工氧化膜，进行镀前的预处理。

金属及其合金经表面预处理后即可进行电镀。化学镀是利用适当的还原剂将溶液中的金属离子还原为金属状态并沉积在工件表面的镀覆方法。化学镀实质上是在催化条件下的氧化还原反应过程。目前，可用化学镀方法沉积的金属有金、银、铬、铜、钴、镍、钯等，但对于铝、镁及其合金，常用的是化学镀铜和化学镀镍。

化学镀铜主要用于铝镁合金零件电镀前的基层，而化学镀镍则是铝镁合金应用最为广泛的工艺。这是因为用作摩擦件的铝镁合金可以采用化学镀镍作为减摩涂层。另外，化学镀镍可以使铝镁合金工件经受焊接工艺，当铝镁合金用作化工装置（如管道、阀门、泵体腔体、反应器等）时，化学镀镍可以替代贵金属。

化学镀能使铝镁合金工件获得厚度均匀、硬度较高、镀层致密、孔隙较小的镀层，但与其他镀层相比，所用溶液的稳定性较差，维护、调整和再生较为麻烦，而且镀层往往表现出较大的脆性。

2.阳极氧化

铝及铝合金的阳极氧化方法和种类很多，根据阳极氧化溶液种类通常分为硫酸阳极氧化、铬酸阳极氧化、磷酸阳极氧化、草酸阳极氧化和混合酸阳极氧化。除这些常规的阳极氧化方法和工艺外，还有硬质阳极氧化、瓷质阳极氧化、微弧阳极氧化等特殊的阳极氧化工艺。但目前应用最广泛的阳极氧化工艺还是硫酸阳极氧化。这是因为硫酸阳极氧化工艺简单，易于控制和操作，硫酸来源供应充足且价格低廉，使得加工成本低，所得膜层质量有保证。同时硫酸电解液产生的废水易于处理，对环境的危害和影响极小。 另外，硫酸阳极氧化生成的氧化膜无色透明、多孔，活性较高，易吸收各种颜色的燃料，着色效果好，采用自然着色或电解着色的方法均可获得满意的着色膜。

镁及其合金的阳极氧化通常采用铬酸盐阳极氧化、微弧阳极氧化、无铬阳极氧化等工艺。普通阳极氧化工艺可采用直流或交流电源，分为低压（60-75v）和高压（75-95v）工艺，从而形成薄氧化膜和厚氧化膜。镁及其合金的阳极氧化膜为多孔性，因此阳极氧化后必须进行封闭处理。另外，由于铬酸盐阳极氧化工艺毒性较大，其应用正逐渐被五氧化工艺所取代。

3.电镀

铝及其合金的电镀难度比其他金属大得多，主要问题是起泡剥落、结合力差。其原因是铝与氧的亲和力强，属于两性金属，性质活泼，膨胀系数大。提高铝及其合金上镀层结合强度的关键是有效去除铝工件表面的自然氧化膜，并防止其再生。通常在铝基体上镀一层与其结合牢固的基体或中间层。铝与基体金属的结合应充分满足金属的晶格常数与铝的晶格常数，原子半径小。铝与基体金属若形成合金，必须有较高的固溶度，以利于镀层在原沉积层上延伸。实践证明，锌、锌铁合金、锌镍合金、镍浸镀均能满足铝及其合金对洁净表面的要求。 经过锌、镍及合金处理后，可以电镀其他金属层（如铬、银、黄铜、铜/镍/铬）。

镁及其合金的金属镀层一般采用电镀方式进行。由于镁的电位很负为-1.7V（SCE），不易直接镀上耐腐蚀的金属。一般采用除油、活化、化学转化镀锌，然后镀铜的工艺。在镁及其合金表面镀上一层铜后，可根据需要按常规电镀工艺在镀铜层上镀上其它金属。目前，镁及其合金的电镀工艺主要有五种技术路线：

1、除油→浸蚀→活化→浸锌→预镀氰化铜→预镀中性镍→后续电镀；

2、除油→蚀刻→活化→浸锌→预镀焦磷酸铜→后续电镀；

3、除油→蚀刻→活化→第一次预镀锌→第二次预镀锌→后续电镀；

4、除油→蚀刻→阳离子活化→直接化学镀镍→后续电镀；

5、除油→蚀刻→活化→浸锌→化学镀镍→后续电镀。

4.电泳涂装

电泳涂装是利用电场使悬浮在电泳液中的带电颜料和树脂粒子作定向迁移并沉积在某一电极的基材表面上的涂装工艺。即采用直流电源，以导电的铝镁及其合金工件作为阴极或阳极。当工件浸入电泳漆工作液中通电后，阳离子漆粒子向阴极工件移动，或阴离子漆粒子向阳极工件移动而沉积在工件表面，形成均匀连续的涂层。当涂层达到一定厚度，工件表面成为绝缘体时，“异性相吸”反应停止，电泳涂装过程结束。这个看似简单的涂装过程，其实涉及非常复杂的电化学反应，是电解、电泳、电沉积、电渗四个动作同时发生的工艺方法。

铝、镁及其合金电泳涂装所形成的电泳漆膜，具有涂膜饱满均匀、平整光滑的优点，而且涂膜硬度、附着力、耐腐蚀性、抗冲击性、渗透性能明显优于其它涂装工艺。

电泳涂装技术除了给铝镁及其合金工件带来诸多优点外，还具有以下特点：

1、电泳涂装采用水溶性涂料，以水为溶解介质，节省了大量的有机溶剂，大大减少了环境污染的危害，安全卫生，避免了火灾隐患。

2、涂装效率高，涂料利用率高，可达90-95%。

3、涂层厚度均匀、附着力强、涂装质量好。

4、生产效率高。施工采用自动化连续生产，大大提高了劳动生产率。

5、设备较其它涂装工艺复杂，投资费用高，耗电量大，特别是涂层干燥湿度大，涂装管理更严格，施工条件要求更苛刻。同时需进行废水处理。

5.静电粉末喷涂

静电粉末涂装工艺是利用高压电场的感应效应或摩擦静电效应，使粉末涂料、青梅及工件相互带上相反的电荷，使带电的粉末涂料吸附在带相反电荷的工件上，再经过粉末涂料加热熔融、流平、烘烤，形成有机涂层。对于热塑性粉末涂料，熔融流平即可，而对于热固性粉末涂料，熔融流平后，还需树脂交联固化才能成膜。此外，热固性粉末涂装工艺至今仍是应用最广泛、应用最广泛的涂装方法。

目前铝、镁及其合金的静电粉末喷涂工艺主要采用高压静电粉末喷涂和摩擦静电粉末喷涂两种方法。高压静电粉末喷涂采用高压静电电晕电场的原理，喷头的金属喷杯和喷针接高压负极，被喷涂工件接地，形成正极，使喷枪与工件之间形成很高的静电电场。以压缩空气为载气，将粉末涂料喷涂到工件上，形成厚度均匀的粉末，粉末经熔融、固化(或塑化)成均匀、连续、光滑、耐久的涂层。摩擦静电喷涂是采用适当的特殊材料作为喷枪枪体的工艺方法，喷涂时粉末在压缩空气的推动下，与枪体内壁及输粉管内壁摩擦带电，然后与铝、镁及其合金所带的相反电荷吸附在工件上。

随着现代工业的快速发展，铝合金的应用越来越广泛，为了满足工程应用中复杂的环境条件，特别是航空航天、电子、交通等行业越来越高的要求，对其表面处理工艺提出了更高的质量标准，甚至可以说其已经成为铝合金制造中的一道关键工序。

镁合金因具有质量轻、强度高、易回收利用等诸多优点，已成为世界范围内继钢铁、铝合金、塑料之后的重要替代材料。镁与铝合金一样，是一种较为活泼的金属，耐腐蚀性能极差，在潮湿空气及中性和酸性介质中易被腐蚀。耐腐蚀性能差成为制约镁合金应用领域扩大的主要因素之一。目前，提高镁合金耐腐蚀性能主要通过添加合金元素、降低杂质含量、进行适当的热处理等方法来提高合金本身的耐腐蚀性能。更重要的方法是，对镁合金制品进行适当的表面处理，使其与外界环境隔离，防止腐蚀。

铝、镁及其合金电镀涂装工艺操作与研究改进，应根据铝、镁金属及其合金的特殊性，首先要了解其特性，遵循其规律，严格按照电镀涂装方法和工艺操作，特别是镀前处理工艺，耐心细致地按照特殊方法操作，保证电镀涂装质量，避免加工工件返工报废，使铝、镁及其合金表面处理技术向功能性、环保性、低成本方向发展。