让铝合金闪闪发亮——铝合金表面形貌与结构调控工艺条件优化与性能测试

■北京市第三十五中学

随着科技的不断发展，人们对材料表面的光滑度与平整度的要求越来越苛刻，这为表面化学抛光技术提出了新的挑战，也带来了机遇。

如今，化学抛光技术在多种金属加工、制备中有了很大的成就。其中，铝合金的表面处理就需用到化学抛光，此工序能提升铝合金的光反射能力与耐腐蚀性。由于铝材料硬度低、质软，在加工时可能会有一些表面磨损，极大地影响了其外观与耐腐蚀性。

机械抛光、化学抛光和电化学抛光是目前主要的三种抛光方法。机械抛光能获得较平整的产品，但加工时的受热与压力会使金属表面不够光亮且耐腐蚀性低，无法达到生产标准。因此，在机械抛光后需进行化学抛光或电化学抛光，以获得表面光滑平整的优质膜层。

高精密的材料对表面的镜面反射率与平整度的要求更高，需采用化学抛光或电化学抛光对其进行处理，使其符合质量要求，同时也能应用于一些不规则形状材料的抛光处理。这两种抛光方法既可以单独使用，也可在机械抛光后进行表面光洁、平整度的进一步提升。

化学抛光不需要额外的机械设备，还能节省能源、便于操作、降低生产成本，提升生产效率。化学抛光不仅在铝表面的处理中极为重要，在铜合金、钛合金、镍合金以及钢铁制品中同样发挥着重要作用。

目前，铝材料的抛光多以三酸溶液体系为主，效率很高。但该过程中存在释放氮氧化物污染环境、成本较高、不便控制用量等问题。

一、研究目的

通过实验，找到一种最优的化学抛光方案，使其效率高、成本低、减少环境污染，并具备良好的抛光效果。

量取溶液

二、实验材料

恒温水浴锅，天平，烘箱，量筒，烧杯。氢氧化钠，硫酸，磷酸，铝粉，柠檬酸，氯化铵，甘油，硫脲，2- 硫基苯并噻唑，十二烷基磺酸钠，苯并三氨唑，聚乙二醇，钼酸铵，乙二胺四乙酸，六次甲基四氨，过氧化氢，高锰酸钾，过硫酸铵，硝酸铜。

三、抛光原理

通过将铝材料加入浓酸中发生强烈的酸浸反应，溶解除去表面物。其中某种成分发生氧化反应，铝表面钝化形成一层氧化铝，使此部分暂时受到保护。随着氧化膜的不断溶解与钝化，凸面部分不断被平整化直至与凹面处于同一平面，达到平整抛光效果。

四、实验步骤

首先进行打磨。用水性砂纸依次打磨，直至光亮。用等离子水清洗铝件表面后进行碱蚀（氢氧化钠溶液对铝件进行腐蚀作用）。用等离子水清洗铝件表面后再用盐酸酸洗，之后用等离子水清洗铝件表面，用烘箱进行干燥。称量铝块质量m1，将铝件放入抛光液，并将抛光液放入水浴锅进行抛光。用等离子水清洗铝件表面，出光。之后再用等离子水清洗铝件表面后用烘箱烘干，称量铝块质量m2。

称量药品

五、实验结果

1.酸的选择及酸含量比例对抛光液抛光效果的影响

传统化学抛光液中含有硝酸，抛光时会产生氮氧化物气体，不仅影响人的健康，还会污染环境，所以我想改用双酸（即磷酸、硫酸）。

通过查阅文献得知，双酸的含量比例决定了抛光溶液的效果。硫酸能使抛光更加平整化、均匀化，但过量会产生白色麻点，抛光效果不理想。而磷酸对实验结果影响不大。综合减少成本、污染及效率最大化的原则，抛光液选用65%的磷酸与30%的硫酸。

2.表面添加剂对抛光液抛光效果的影响

（1）不同表面添加剂对抛光液抛光效果的影响

一些有机化合物可在抛光液中起到表面活性剂、粘度调节剂、增溶剂、缓蚀剂或腐蚀剂的作用。表1 为通过控制单一变量的方法探究8 种不同有机添加剂对抛光效果的影响。

表1 不同表面添加剂对抛光液抛光效果的影响(时间：1min 温度：85℃）

由表1 可知，硫脲作为抛光液中的有机添加剂时光泽度最高，可抑制点蚀、提高样品表面反射率及光泽度，经其抛光后的铝件光泽度最高，失重率最低。故选用硫脲作为抛光液中的表面添加剂。

（2）硫脲（CH4N2S）的正交实验

接下来通过一组正交实验来确定硫脲在单位体积抛光液（20ml）中发挥最佳作用时的质量。实验结果见表2。

表2 单位体积抛光液中硫脲对抛光效果的影响

由表2 可知，硫脲在0.006g 时，铝件光泽度最高，失重率最低。故单位体积抛光液中含0.006g 的硫脲效果最佳。

3.氧化剂对抛光液抛光效果的影响

表3 为通过控制单一变量的方法探究3种不同氧化剂对抛光效果的影响。

表3 不同氧化剂对抛光液抛光效果的影响

由表3 可以看出，过氧化氢做氧化剂时的效果最佳，高锰酸钾次之。但过氧化氢加热时易分解，会影响药品使用效果，故选用高锰酸钾作为抛光液中的氧化剂。

对高锰酸钾进行3 组控制变量实验，结果表明，单位体积抛光液中含0.16g 高锰酸钾效果最佳。

4.铝粉的正交实验

实验结果表明，铝粉在0.01g 时铝件光泽度最高，失重率较低。故单位体积抛光液中含0.01g 铝粉效果最佳。

5.硝酸铜的正交实验

改变硝酸铜的用量研究其对抛光效果的影响，实验结果表明，硝酸铜在0.016g 时铝件光泽度最高。故单位体积抛光液中含0.016g 硝酸铜效果最佳。

6.甘油的正交实验

甘油可以防止酸雾产生，并与磷酸根离子生成配合物，起到缓蚀作用。实验结果表明，甘油在0.016g 时铝件光泽度最高，失重率最低，故单位体积抛光液中含0.016g 甘油效果最佳。

7.各工艺条件对抛光效果的影响

配制溶液

（1）时间

由实验结果综合分析可得，当抛光时间在30s 至60s 时，铝件表面光泽度逐渐升高，形貌更加均一；当抛光时间在60s 至120s 时，铝件表面光泽度逐渐降低，微观结构均一性也逐渐降低，且抛光时间为60s时的失重率为较低值。综合考虑，60s 为适宜抛光时间。

（2）温度

按照化学抛光工艺参数，控制抛光时间为60s，以不同抛光温度做抛光实验，得出抛光温度对抛光后铝件参数的影响，同时通过原子力显微镜（AFM）测试抛光后铝件的表面形貌，以进一步确定最优的抛光温度。80℃、90℃、95℃所得AFM 图像如图1 至图3 所示。

综合所得，当抛光温度在80℃至85℃时，铝件表面光泽度逐渐升高，失重率逐渐降低；当抛光温度在85℃至95℃时，铝件表面光泽度逐渐降低，失重率逐渐升高。抛光温度为85℃时，铝件表面的微观凸起清晰均匀，而其他温度条件下得到的铝件表面形貌颗粒较大。综合考虑，85℃时为适宜抛光温度。

图1 抛光温度为80 ℃时铝件的表面形貌

图2 抛光温度为90 ℃时铝件的表面形貌

图3 抛光温度为95℃时铝件的表面形貌

六、结论

1.经过一系列正交实验，确定了铝件抛光液最佳配方为（抛光液体积为20ml）13ml H3PO4，6ml H2SO4，0.006g CH4N2S，0.16g KMnO4，0.01g 铝粉，0.016g Cu（NO3）2，0.016g 甘油。此配方能减少反应污染，降低成本，且使反应效率最大化。

2.经过抛光时间和抛光温度的两组对比实验，确定了抛光实验的最佳工艺条件为：抛光时间为60s，抛光温度为85℃。