化学酸洗消除铝材表面机械纹的研究

刘丙春，赵永武，王永光

（江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122）

化学酸洗消除铝材表面机械纹的研究

刘丙春，赵永武*，王永光

（江南大学机械工程学院，江苏 无锡 214122）

介绍了一种去铝材表面机械纹路的化学酸洗液，通过正交试验得到的最佳配方为：每1 L溶液中含100 g NH4F、68 g HBF4、35 mL H2O2和0.12 g Tx-10(壬基酚聚氧乙烯醚)，时间10 min，温度50 °C。各因素对酸洗效果的影响作用由大到小依次为：NH4F ＞ HBF4＞ H2O2＞ 酸洗时间。该工艺操作简单，去纹速度快，效果好。

铝合金；机械纹；化学酸洗；正交试验

1 前言

在铝型材挤压生产过程中，由于受坯锭、模具、挤压工艺等因素的影响，型材表面不可避免地产生密密麻麻、深浅不一、贯穿型材首尾的机械纹路(模纹)，严重影响了铝型材的产品质量。不少企业采用碱过蚀法来消除铝型材表面的挤压纹，但该法会导致型材表面无光泽，机械性能降低，生产成本升高，还给氧化生产线的管理和污染治理带来许多不便[1]。

2 化学酸洗机理

本文介绍一种消除铝型材表面挤压机械纹路的新方法——化学酸洗法。化学酸洗是在特定条件下的化学浸蚀。铝型材接触酸蚀液，在很短时间内迅速发生反应，生成配合物。反应方程如下：

生成的配合物具有一定黏度，容易附着于铝基体表面，在铝合金表面形成了一层保护膜并填平了机械纹沟底。沟底的铝合金与酸蚀液完全隔绝，反应速度近乎为零，而沟表面的黏附产物较薄，酸蚀液可与铝合金接触，反应快速进行，使得沟表面与沟底产生了较大的反应速度差，从而实现了较强的去机械纹效果。碱蚀也具备一定的去机械纹能力，所利用的是黏性理论，即沟底的铝离子浓度高于沟表面的铝离子浓度，导致沟表面的反应速度快于沟底的反应速度，从而达到消除机械纹的目的[2]。但是由于沟底的反应速度只是被减缓，而不是如酸蚀那样被彻底抑制，因而碱蚀去机械纹的能力比酸蚀弱得多，且铝耗是酸蚀的5倍以上。三酸抛光含有一定浓度的强氧化剂，可使铝合金表面产生钝化膜，因而不具备去机械纹的能力。

3 试验

3. 1 试验工件及设备

所用工件为6063型铝型材，尺寸为50 mm × 50 mm × 1.5 mm。

所用的设备有：HH-W420恒温水浴(江苏金坛市晶玻实验仪器厂)，H01-2C电磁搅拌器(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司)，XTL-100光学显微镜(桂林市光学仪器厂)。

3. 2 工艺流程

除油—水洗—干燥—酸洗—滴流—水洗—干燥。

3. 3 评定标准

根据酸洗后铝材表面的平整性、粗糙度，有无发黑及点蚀等情况进行综合评分。评定标准如表1所示。

表1 等级、得分与化学酸洗效果的关系Table 1 Relationship between the grade, scores and chemical pickling effect

3. 4 酸洗液组分及正交试验

为了确定溶液的最佳组分浓度及处理时间，安排了L16(44)正交试验，其因素水平设计如表2所示。正交试验中固定因素为：溶液总量为1 000 mL，温度50 °C，Tx-10 0.12 g。

表2 正交试验因素水平Table 2 Levels of factors in orthogonal test

4 结果与讨论

4. 1 正交试验结果与酸洗溶液组成的优选

正交试验结果列于表3。根据极差(R)分析，得出影响铝合金酸洗后表面纹路的因素主次顺序为：NH4F ＞HBF4＞ H2O2＞ 酸洗时间。根据各个因素的K值，得出溶液的最佳配方为：

4. 2 影响表面酸洗效果的因素

4. 2. 1 NH4F

氟化铵是化学酸洗去机械纹溶液中的主要成分。F-对铝表面的钝化膜有极强的渗透性能，在盐类溶液中对铝有显著的孔蚀作用，但F-对Si有一定的溶解能力。因此，应严格控制氟化铵的含量。NH4F含量与整平效果的关系如图1所示。

表3 正交试验数据Table 3 Orthogonal test result

图1 NH4F含量与整平效果的关系Figure 1 Relationship between NH4F content and leveling effect

从图1可以看出，当NH4F含量较低时，铝合金表面的机械纹路去除效果一般；当NH4F达到100 g/L时，铝合金工件表面几乎没有纹路，表面效果最佳；当NH4F含量过高时，易产生过度腐蚀，铝合金表面产生大量的点状坑蚀，表面质量反而降低。

4. 2. 2 HBF4

在NH4F–HBF4体中，HBF4主要是用来清洗铝合金表面氧化膜以及硅酸盐膜，从而使铝合金工件露出金属基体，与酸蚀液相接触并在表面生成具有一定黏度的配合物。但是铝在HBF4中的耐腐蚀性能较差，因此，HBF4含量也应严格控制。HBF4含量与整平效果的关系如图2所示。从图2可以看出，随着HBF4含量增加，溶液去机械纹能力不断增强，当其含量为68 g/L时，整平效果最佳；继续增加其含量时，铝表面发生过腐蚀，并形成大量的麻点。因此HBF4的最佳质量浓度为68 g/L。

图2 HBF4含量与整平效果的关系Figure 2 Relationship between HBF4 content and leveling effect

4. 2. 3 H2O2

H2O2是酸洗液中的主要氧化剂。H2O2含量与整平效果的关系如图3所示。

图3 H2O2含量与整平效果的关系Figure 3 Relationship between H2O2 content and leveling effect

从图3可以看出，随着H2O2含量的增加，铝表面机械纹的深度不断减小，当其含量在35 mL/L时表面质量最佳；继续增加其含量，表面过氧化，导致溶液去机械纹能力不断减弱。因此H2O2的最佳体积分数为35 mL/L。

4. 2. 4 时间

使用NH4F–HBF4体系对铝合金进行化学酸洗去机械纹路时，时间是一个重要的因素。酸洗时间对表面平整度的影响如图4所示。

图4 时间与整平效果的关系Figure 4 Relationship between time and leveling effect

开始时，随着酸洗时间的延长，铝表面机械纹的深度不断减小，当时间为10 min时，铝表面质量最佳；继续延长时间，金属的溶解量迅速增大，产生了过腐蚀，表面质量下降。故酸洗时间控制在10 min为宜。

4. 3 酸洗效果比较

试验中对本配方和市场上某产品进行了比较，结果如图5所示。

图5 化学酸洗的效果(×48)Figure 5 Effectiveness of chemical pickling (×48)

从图 5可以看出，使用本配方酸洗后的铝表面更均匀，无较大面积的蚀坑，表面晶粒得到了细化，机械纹去除更彻底。

5 结论

(1) 通过实验确定了 NH4F–HBF4体系酸洗液用于去铝合金表面机械纹路的可行性，用正交试验得到了最佳配方为：NH4F 100 g/L，HBF468 g/L，H2O235 mL/L，Tx-10 0.12 g/L，时间10 min，温度50 °C。

(2) 各因素对酸洗效果的影响作用由大到小依次为：HBF4＞ H2O2＞ NH4F ＞ 酸洗时间。

(3) 实验室自行研制的配方去机械纹速度快，得到的铝合金表面均匀、细腻。

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Study on chemical pickling for eliminating mechanical streak on the surface of aluminum alloy //

LIU Bing-chun, ZHAO Yong-wu*, WANG Yong-guang

A chemical pickling solution for eliminating mechanical streak on the surface of aluminum alloy was introduced. The optimal formulation determined by orthogonal test is as follows: 100 g NH4F, 68 g HBF4, 35 mL H2O2, and 0.12 g Tx-10 (polyoxyethylene nonylphenyl ether) in 1 L of water, time 10 min and temperature 50 °C. The affecting factors on chemical pickling are in the following descending order: NH4F ＞ HBF4＞ H2O2＞ time. The process has advantages of easy operation, fast de-streaking and good effectiveness.

aluminum alloy; mechanical streak; chemical pickling; orthogonal test

School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

TG156.6; TG176

A

1004 – 227X (2010) 10 – 0041 – 03

2010–05–14

2010–06–05

刘丙春（1984–），男，江苏泰州人，在读硕士研究生，研究方向为机械设计及理论研究。

赵永武，教授，(E-mail) zhaoyw@jiangnan.edu.cn。

[ 编辑：吴定彦 ]