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铝锅的硬质阳极氧化

中山彩色2018-11-07 15:34:55

铝锅的硬质阳极氧化

第一章  零件铝锅

1.1  铝锅图



1.2  铝锅

铝锅主要就是用来烧煮食物,铝锅应该注意锅身挺直圆正,锅底、锅盖及内外光亮,没有暗色、黑色斑痕或裂缝。

 

第二章  服役条件和性能分析

2.1  服役条件

铝锅在使用过程中经常会和铲子等发生摩擦,很容易有磨痕。而且铝锅要在高温下加热,煮熟食物。有的铝锅还要用到电,通电加热。

2.2  性能分析

根据铝锅的服役条件,我们可以看出铝锅必须要具有一定的耐磨性,这样我们才能加长它的使用寿命,不至于因为和铲子的摩擦而减损它的使用寿命。还有就是温度的影响,铝锅需要具有一定的耐热性。因为铝锅会与电接触,所以它还必须具有一定的绝缘性。最后它还必须具有一定的耐蚀性和硬度。

 

第三章  

3.1 工艺选择———硬质阳极氧化

工艺确定

铝锅为铝材料制品,对于铝材料的处理有阳极氧化、聚合物涂层、化学转换、喷涂和电镀等。而不采用化学转换的方法,可能镀上的东西会带入剧毒,不适用铝锅。

喷涂工艺对一些棱角的地方很难均匀喷涂膜层,而比较好的电泳涂层也是要采用阳极氧化的。而电镀会保持铝的导电性,而我们希望得到的是绝缘的铝材料。

一般首先主要是防护性,阳极氧化和聚合物涂层是两种最常用的的方法,而阳极氧化是最广与最成功的,研究的也深入,所以在这里我们选用阳极氧化的方法来对铝锅进行表面处理。

阳极氧化有普通阳极氧化、硬质阳极氧化和微弧氧化。微弧氧化虽然能得到高硬度、高耐磨性和高绝缘性的铝,但是在技术和能耗问题上有很大问题,并且没有很好的推广,应用不是很广。

硬质阳极氧化是一种厚膜阳极氧化法,这是一种铝和铝合金特殊的阳极氧化表面处理工艺。此种工艺,所制得的阳极氧化膜最大厚度可达250微米左右,在纯铝上能获得1500kg/mm2的显微硬度氧化膜,而在铝合金上则可获得400~600kg/mm的显微硬度氧化膜。其硬度值,氧化膜内层大于外层,即阻挡层大于带有孔隙的氧化膜层,因氧化膜内有松孔,可吸附各种润滑剂,增加了减摩能力,氧化膜层导热性很差,其熔点为2050℃,电阻系数较大,经封闭处理(浸绝缘物或石蜡)击穿电压可达2000V,在大气中较高的抗蚀能力,具有很高的耐磨性,也是一种理想的隔热膜层,也有良好的绝缘性,并具有与基体金属结合得很牢固等一系列优点。

在很多方面都由于普通氧化膜。所以说对铝锅的表面处理我们选用硬质阳极氧化。

1 硬质膜与普通膜的物理性质

2.2 总工艺流程:

除油→水洗→碱洗→水洗→酸洗→水洗→硬质阳极氧化→水洗→封孔→喷砂→水洗→ 烘干→性能检测

 

第四章   各工艺的作用

4.1  除油

铝材表面接触到油脂或污染物后,会阻碍其表面与处理溶液的充分接触,不能得到润湿均匀的表面;若油脂或污染物带入随后的处理槽液中,将会破坏槽液的组成。

因此,铝材表面处理过程中首先要进行化学清洗,清除表面的油脂、污染物、污垢、铝的表面氧化膜等,使铝材获得润湿均匀的清洁表面。

4.2  碱洗

碱洗能使铝材宏观上均匀地减薄,能使铝材表面产生均匀散射的浸湿表面。铝材进行碱浸湿能彻底除去表面在空气中形成的氧化膜,使之形成均匀的活化表面,为以后获得色泽均匀的表面创造条件;它还能使铝材表面趋于平等均匀,能除去铝材表面轻微的粗糙痕迹。

4.3  酸洗

主要是除灰处理,除去碱浸蚀后残留在铝材表面的有各种金属间化合物颗粒形成的表面层,其更重要的功能是使铝材表面获得清洁光亮的钝化表面。

4.4  硬质阳极氧化

硬质阳极氧化是一种厚膜阳极氧化法,这是一种铝和铝合金特殊的阳极氧化表面处理工艺。使铝得到高耐热性,耐磨性和绝缘性,并且还有一定的耐蚀性和硬度。

4.5  封孔

提高铝材的耐磨腐蚀性和耐污染性。

4.6  喷砂

喷砂使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度,使工件表面的机械性能得到改善,因此提高了工件的抗疲劳性,增加了它和涂层之间的附着力,延长了涂膜的耐久性,也有利于涂料的流平和装饰。

第五章   各工艺的配方及工艺参数分析

5.1  预处理

5.1.1 除油、水洗

2  常用除油方法的特点和使用范围比较

铝锅比较简单,可以选用化学除油,简单、便宜、方便管理。可清除表面的油脂、污染物、污垢、铝的氧化膜等,使铝材获得湿润均匀的清洁表面。常用的化学清洗剂有:

①溶剂型化学清洗剂:它只能溶解经试验确认可溶性的润湿剂或污染物

②乳化体系化学清洗剂:清洗残留油脂较多的铝工件

③碱性化学清洗剂:对大多数金属的清洗都有效

④酸性化学清洗剂:在铝材表面产生轻微的浸蚀作用 一般选用碱性化学清洗剂来除油

1)碱性除油配方和工艺参数

3  碱性除油配方

除油一般采用水膜连续性来测试,铝材经过化学清洗后,随后进行水洗,水洗后上升至适宜检测的高度停留30s,铝材表面的水膜应该是连续的,表面完全润湿,不应该出现水膜破裂或分开的现象。水膜连续性应该至少保持30s及其以上的为合格。水膜在30s内破裂的为不合格。

2)各组员的作用

①碳酸钠   

呈弱碱性,水解能生成碳酸氢钠,有一定的皂化能力,并对溶液的PH值起缓冲作用。

②磷酸三钠  

 呈弱碱性,有一定的皂化能力和缓冲PH的作用,它又是一种乳化剂。

③硅酸钠   

呈弱碱性,本身有较好的活化作用,有较强的乳化作用和一定的皂化能力。

3)工艺参数的确定

①时间   

为保证后面的氧化效果,除油必须除尽为止。

②温度  

 随着温度的上升,铝的除油速度加快,一般选择80至90℃在沸水浴中。

5.1.2 碱洗、水洗

(1) 配方和工艺参数

4  铝及铝合金碱洗工艺规范

2)各组员的作用

①氢氧化钠   

铝材浸入热的氢氧化钠溶液中,就会发生非常剧烈的化学反应,铝和表面的氧化膜与氢氧化钠反应生成可溶性偏铝酸钠。一般不希望氢氧化铝沉淀的产生。

②添加剂   

为了解决结垢问题和延长槽液的使用期。

3)工艺参数的确定

①时间   

浸蚀时间太短不能得到较好的浸蚀效果,若要使铝材获得浸蚀程度比较深的散射曲面,15至20min是需要的。

②温度   

随着温度的上升,铝的碱浸蚀速度上升非常快,一般选择50至70℃的温度下进行。

5.1.3 酸洗、水洗

常用的酸洗工艺有硝酸除灰和硫酸除灰。硝酸的氧化性的酸,而硫酸是非氧化性的酸,所以去除黑色挂灰的能力相对弱。硫酸法相对硝酸法来说相同程度的除灰用的时间要长,而且硫酸对含铝量多的铝件除灰效果也不好。所以一般选用硝酸除灰。

1)配方和工艺参数

5  铝及铝合金酸洗工艺规范

3)工艺参数的确定

①硝酸浓度   

10%至25%的硝酸浓度中腐蚀的速度正好,30%的硝酸速度过快。

5.2  硬质阳极氧化

通常处理的电解液有硫酸、草酸及其它有机酸。但选用硫酸氧化法,较其他氧化方法具有成本低、操作简单、着色性好、耗电少、废液处理容易等优点。

5.2.1 氧化膜形成机理

铝合金硬质阳极氧化原理,就是在电场的作用下,加速铝合金表面氧化膜的形成即用铅

板作阴极,铝合金制作阳极,稀硫酸溶液作电解液,当通过直流电时

阳极反应:H22O3

阴极反应:2H2↑

同时酸对铝和生成的氧化膜进行化学溶解,反应如下:

2A16H  2A133H2↑  A12O36H2A133H2O

氧化膜的生成与溶解同时进行,初期,膜的生成速度大于溶解速度,膜的厚度不断增加,其电阻也增大,使膜的生长速度减慢,一直到与膜溶解速度相等时,膜的速度才为一定值。

6.2.2 配方及工艺参数

6  硫酸硬质阳极氧化工艺规范

宜用蒸馏水,氯离子含量≤1%;镁离子含量≤0.5g/L,否则会影响氧化质量。结束后要用水喷洗。

6.2.3 工艺参数的确定

1)硫酸浓度   

浓度较低时,膜层硬度较高,但由于CuAl2金属间化合物的存在,氧化温度升高,膜的溶解较快,容易烧蚀零件,不宜在低浓度溶液中氧化。所以选择20%高浓度的硫酸。

2)温度   

溶液温度低,氧化膜硬度高,耐磨性好,但不能过低易脆。一般控制在-5~10℃为宜。

3)电流密度   

在膜厚相同的情况下,较高的电流密度将取得较硬的氧化膜,但过高时,发热量大,促使膜层硬度下降。

4)电压   

硫酸氧化法一般采用直流电源,开始电流密度为0.3~0.5A.dm-2,初始电压为8~10V,一般在25min内多次逐渐升高电流密度至2~3A.dm-2。而后每隔5min调整升高电压一次,以保持恒定的电流密度。在这里选用直流的原因主要是氧化膜硬度和耐磨性高,并且用时短,防护和装饰性能好。

6.3  封孔

6.3.1 配方和工艺参数

7  铝阳极氧化膜的主要封孔方法、工艺条件及其性能特点

采用沸水封孔法,即将氧化后的铝锅放入沸腾的纯净水中封闭20min。水蒸气封闭机理基本上与热水封闭相同,效果比热水封闭好,但设备投资大,生产成本高,操作过程麻烦,较少应用。

6.3.2 工艺参数的确定

1)温度

水温保持在95℃,若低于80℃水合反应的产物耐腐蚀性较差。

2)PH值

最佳的为5.5至6.5,铝在酸性或碱性水中都会发上腐蚀,不可能生成耐腐蚀的勃姆体结构。5至8时封孔品质处于比较好的状态。

3)时间

取决于氧化膜厚度、孔径大小和封孔品质试验的要求。

6.4  喷砂、水洗、烘干

喷砂只要是改善铝锅的机械性能,给予表面压应力,增加疲劳寿命,同时冲击零件表面,填塞表面可能存在的裂纹。

之后,水洗——烘干——成品

6.5  常见缺陷及措施

8 铝及其合金硬质阳极氧化常见缺陷及其处理方法

第六章   涂层检验

6.1  厚度检测

6.1.1 阳极氧化膜厚度测量方法

横断面厚度显微镜测量法、分光束显微镜测量法、质量损失法、涡流法 6.1.2 方法的选择——横断面厚度显微镜测量法0.8微米,因此常作为不小于5微米的氧化膜厚度检测的仲裁方法。

1)试片加工

根据检测要求在关键部位取样。为了便于磨削,试样可用专用的固定夹具或进行镶嵌。试样磨削时所采用的压力应为被测膜层相适应的最小压力。

试样抛磨采用逐渐变细的磨料,最后可用600粒度的磨料或更细的磨料。

2)浸蚀

当膜层与基体材料接线不明确时,可将磨好的试片进行适当的化学浸蚀后再进行金相显微镜测厚。

8  膜层厚度测量常用浸蚀剂

3)测量

采用目镜观测。测量试样膜层厚度时,磨抛表面应尽可能与光轴垂直,视场直径一般不大于其本身的2/3,光栅孔径不大于物镜孔径的2/3。

测量前后应由同一操作者对测量仪器进行标定。目镜测定重复标定,误差应小于1%,载物台测定的两条线的间距应在0.2微米或0.1%以内。目镜测定是。将测微计十字线较差的一边调至与待测片相重合,然后再与另一边相重合,而且每次测定都以同一方向旋转对准,消除回程间隙引起的误差。

测量时,每个测量点上至少测三次。仲裁测定时。每个测量点上至少测10次。在测定值统计时,至少在测量端面上测5个测量点,取平均值作测量结果值。

6.2  氧化膜硬度检测

膜层硬度指标反映了膜层抵抗外来挤压变形的能力,也可以说是膜层材料对塑性变形、硬物划伤、磨损等的抵抗能力。它常作为零件耐磨性的一个重要指标。

6.2.1测量方法

在膜层硬度检测中,应尽量减少压痕的深度,近似为镀层厚度的十分之一,以消除基体材料对硬度基体材料对硬度测量值的影响提高测量的精度。

鉴于铝氧化膜层厚度较小,为了消除基体材料对氧化膜硬度测量值的影响,通常采用显微维氏或努氏硬度法。

6.2.2方法选择——维氏显微硬度

维氏显微硬度测量使用两对角夹角α为1360的金刚石四棱锥体压头。压头在试验力作用下压入试样表面,保持一定时间后卸除试验力,在试样上获得正方形椎体压痕,测量压痕对角线长度,按下式计算得到显微硬度值。

HV=0.1891F/d2                             

式中 HV——显微硬度值                                       

F——实验负荷(N)                                       

d——压痕对角线长度(mm)

1)试样

试样应经过除油、研磨和抛光处理,表面应无油污、平整和光滑。

2)硬度测量要求

A.压痕的每一个角与膜层的任一边的距离至少为对角线长度的一半 B.每一个压痕中,两条对角线长度值相差应小于5%

B.每一个压痕中,两条边的长度值相差应小于5% D.膜层厚度应大于对角线平均长度的1.4倍

3)负荷

在膜层厚度允许的条件下,应尽量选择较大的负荷,减少测量中的相对误差。要确保测量误差小于5%,压痕对角线长度应大于16微米。

9  测定时负荷参考值

施加负荷时要平稳、缓慢、无震动和冲击现象。负荷时间保持10~15S。测定温度为23±5必要时测定应在空调状态下进行。在同一试样上应在不同部位至少进行5次有效测量,取其平均值。

6.3  氧化膜耐蚀性

6.3.1试验方法

分为自然条件下的暴露试验和人工条件下的加速腐蚀试验其中加速腐蚀性试验包括:点滴试验、腐蚀膏试验、中性盐雾试验、醋酸盐雾试验、铜盐加速盐雾试验、二氧化硫气体腐蚀试验、硫化氢气体腐蚀试验、硫代乙酰胺腐蚀试验、周期浸润试验、湿热箱试验、电解腐蚀试验。

6.3.2方法选择——点滴试验

点滴试验操作简单、速度快,主要用于生产线上耐蚀性的检查。具体操作:先用有机溶剂清除被测样品或零件表面的油污等杂物,晾干后待测。再将点滴试验溶液滴在试样的表面或将试样置于点滴试验溶液中,观察试样表面氧化膜变色时间,评判氧化膜的耐蚀性性能。

10  铝及铝合金阳极氧化膜点滴试验溶液组成

11  铝及铝合金阳极氧化膜点滴试验时间标准

6.4  氧化膜耐磨性

氧化膜的耐磨性能与膜的质量密切相关,可以反映膜的耐摩擦、耐磨损的潜在能力,是氧化膜的一项重要性能指标。

常用方法:喷磨试验仪、轮式磨损试验仪与落砂试验仪检测耐磨性。 这里选用喷磨试验仪,适用于膜厚小于5微米的氧化膜的检验。

测试时,用待测试样置换标准试样按校正步骤进行,为了达到控制质量的目的,在试验中可以使用协议参比试样进行比较;当需要时,也可以用协议参比试样代替标准试样进行校正。