劉丙春，趙永武，王永光

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

化學(xué)酸洗消除鋁材表面機(jī)械紋的研究

劉丙春，趙永武*，王永光

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

介紹了一種去鋁材表面機(jī)械紋路的化學(xué)酸洗液，通過(guò)正交試驗(yàn)得到的最佳配方為：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)，時(shí)間10 min，溫度50 °C。各因素對(duì)酸洗效果的影響作用由大到小依次為：NH4F ＞ HBF4＞ H2O2＞ 酸洗時(shí)間。該工藝操作簡(jiǎn)單，去紋速度快，效果好。

鋁合金；機(jī)械紋；化學(xué)酸洗；正交試驗(yàn)

1 前言

在鋁型材擠壓生產(chǎn)過(guò)程中，由于受坯錠、模具、擠壓工藝等因素的影響，型材表面不可避免地產(chǎn)生密密麻麻、深淺不一、貫穿型材首尾的機(jī)械紋路(模紋)，嚴(yán)重影響了鋁型材的產(chǎn)品質(zhì)量。不少企業(yè)采用堿過(guò)蝕法來(lái)消除鋁型材表面的擠壓紋，但該法會(huì)導(dǎo)致型材表面無(wú)光澤，機(jī)械性能降低，生產(chǎn)成本升高，還給氧化生產(chǎn)線的管理和污染治理帶來(lái)許多不便[1]。

2 化學(xué)酸洗機(jī)理

本文介紹一種消除鋁型材表面擠壓機(jī)械紋路的新方法——化學(xué)酸洗法?；瘜W(xué)酸洗是在特定條件下的化學(xué)浸蝕。鋁型材接觸酸蝕液，在很短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)生反應(yīng)，生成配合物。反應(yīng)方程如下：

生成的配合物具有一定黏度，容易附著于鋁基體表面，在鋁合金表面形成了一層保護(hù)膜并填平了機(jī)械紋溝底。溝底的鋁合金與酸蝕液完全隔絕，反應(yīng)速度近乎為零，而溝表面的黏附產(chǎn)物較薄，酸蝕液可與鋁合金接觸，反應(yīng)快速進(jìn)行，使得溝表面與溝底產(chǎn)生了較大的反應(yīng)速度差，從而實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的去機(jī)械紋效果。堿蝕也具備一定的去機(jī)械紋能力，所利用的是黏性理論，即溝底的鋁離子濃度高于溝表面的鋁離子濃度，導(dǎo)致溝表面的反應(yīng)速度快于溝底的反應(yīng)速度，從而達(dá)到消除機(jī)械紋的目的[2]。但是由于溝底的反應(yīng)速度只是被減緩，而不是如酸蝕那樣被徹底抑制，因而堿蝕去機(jī)械紋的能力比酸蝕弱得多，且鋁耗是酸蝕的5倍以上。三酸拋光含有一定濃度的強(qiáng)氧化劑，可使鋁合金表面產(chǎn)生鈍化膜，因而不具備去機(jī)械紋的能力。

3 試驗(yàn)

3. 1 試驗(yàn)工件及設(shè)備

所用工件為6063型鋁型材，尺寸為50 mm × 50 mm × 1.5 mm。

所用的設(shè)備有：HH-W420恒溫水浴(江蘇金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠)，H01-2C電磁攪拌器(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)，XTL-100光學(xué)顯微鏡(桂林市光學(xué)儀器廠)。

3. 2 工藝流程

除油—水洗—干燥—酸洗—滴流—水洗—干燥。

3. 3 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)酸洗后鋁材表面的平整性、粗糙度，有無(wú)發(fā)黑及點(diǎn)蝕等情況進(jìn)行綜合評(píng)分。評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 等級(jí)、得分與化學(xué)酸洗效果的關(guān)系Table 1 Relationship between the grade, scores and chemical pickling effect

3. 4 酸洗液組分及正交試驗(yàn)

為了確定溶液的最佳組分濃度及處理時(shí)間，安排了L16(44)正交試驗(yàn)，其因素水平設(shè)計(jì)如表2所示。正交試驗(yàn)中固定因素為：溶液總量為1 000 mL，溫度50 °C，Tx-10 0.12 g。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Table 2 Levels of factors in orthogonal test

4 結(jié)果與討論

4. 1 正交試驗(yàn)結(jié)果與酸洗溶液組成的優(yōu)選

正交試驗(yàn)結(jié)果列于表3。根據(jù)極差(R)分析，得出影響鋁合金酸洗后表面紋路的因素主次順序?yàn)椋篘H4F ＞HBF4＞ H2O2＞ 酸洗時(shí)間。根據(jù)各個(gè)因素的K值，得出溶液的最佳配方為：

4. 2 影響表面酸洗效果的因素

4. 2. 1 NH4F

氟化銨是化學(xué)酸洗去機(jī)械紋溶液中的主要成分。F-對(duì)鋁表面的鈍化膜有極強(qiáng)的滲透性能，在鹽類溶液中對(duì)鋁有顯著的孔蝕作用，但F-對(duì)Si有一定的溶解能力。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制氟化銨的含量。NH4F含量與整平效果的關(guān)系如圖1所示。

表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Orthogonal test result

圖1 NH4F含量與整平效果的關(guān)系Figure 1 Relationship between NH4F content and leveling effect

從圖1可以看出，當(dāng)NH4F含量較低時(shí)，鋁合金表面的機(jī)械紋路去除效果一般；當(dāng)NH4F達(dá)到100 g/L時(shí)，鋁合金工件表面幾乎沒(méi)有紋路，表面效果最佳；當(dāng)NH4F含量過(guò)高時(shí)，易產(chǎn)生過(guò)度腐蝕，鋁合金表面產(chǎn)生大量的點(diǎn)狀坑蝕，表面質(zhì)量反而降低。

4. 2. 2 HBF4

在NH4F–HBF4體中，HBF4主要是用來(lái)清洗鋁合金表面氧化膜以及硅酸鹽膜，從而使鋁合金工件露出金屬基體，與酸蝕液相接觸并在表面生成具有一定黏度的配合物。但是鋁在HBF4中的耐腐蝕性能較差，因此，HBF4含量也應(yīng)嚴(yán)格控制。HBF4含量與整平效果的關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出，隨著HBF4含量增加，溶液去機(jī)械紋能力不斷增強(qiáng)，當(dāng)其含量為68 g/L時(shí)，整平效果最佳；繼續(xù)增加其含量時(shí)，鋁表面發(fā)生過(guò)腐蝕，并形成大量的麻點(diǎn)。因此HBF4的最佳質(zhì)量濃度為68 g/L。

圖2 HBF4含量與整平效果的關(guān)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劑。H2O2含量與整平效果的關(guān)系如圖3所示。

圖3 H2O2含量與整平效果的關(guān)系Figure 3 Relationship between H2O2 content and leveling effect

從圖3可以看出，隨著H2O2含量的增加，鋁表面機(jī)械紋的深度不斷減小，當(dāng)其含量在35 mL/L時(shí)表面質(zhì)量最佳；繼續(xù)增加其含量，表面過(guò)氧化，導(dǎo)致溶液去機(jī)械紋能力不斷減弱。因此H2O2的最佳體積分?jǐn)?shù)為35 mL/L。

4. 2. 4 時(shí)間

使用NH4F–HBF4體系對(duì)鋁合金進(jìn)行化學(xué)酸洗去機(jī)械紋路時(shí)，時(shí)間是一個(gè)重要的因素。酸洗時(shí)間對(duì)表面平整度的影響如圖4所示。

圖4 時(shí)間與整平效果的關(guān)系Figure 4 Relationship between time and leveling effect

開(kāi)始時(shí)，隨著酸洗時(shí)間的延長(zhǎng)，鋁表面機(jī)械紋的深度不斷減小，當(dāng)時(shí)間為10 min時(shí)，鋁表面質(zhì)量最佳；繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，金屬的溶解量迅速增大，產(chǎn)生了過(guò)腐蝕，表面質(zhì)量下降。故酸洗時(shí)間控制在10 min為宜。

4. 3 酸洗效果比較

試驗(yàn)中對(duì)本配方和市場(chǎng)上某產(chǎn)品進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 化學(xué)酸洗的效果(×48)Figure 5 Effectiveness of chemical pickling (×48)

從圖 5可以看出，使用本配方酸洗后的鋁表面更均勻，無(wú)較大面積的蝕坑，表面晶粒得到了細(xì)化，機(jī)械紋去除更徹底。

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了 NH4F–HBF4體系酸洗液用于去鋁合金表面機(jī)械紋路的可行性，用正交試驗(yàn)得到了最佳配方為：NH4F 100 g/L，HBF468 g/L，H2O235 mL/L，Tx-10 0.12 g/L，時(shí)間10 min，溫度50 °C。

(2) 各因素對(duì)酸洗效果的影響作用由大到小依次為：HBF4＞ H2O2＞ NH4F ＞ 酸洗時(shí)間。

(3) 實(shí)驗(yàn)室自行研制的配方去機(jī)械紋速度快，得到的鋁合金表面均勻、細(xì)膩。

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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

劉丙春（1984–），男，江蘇泰州人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究。

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

[ 編輯：吳定彥 ]