讓鋁合金閃閃發(fā)亮

張澤愈

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對(duì)材料表面的光滑度與平整度的要求越來(lái)越苛刻，這為表面化學(xué)拋光技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也帶來(lái)了機(jī)遇。

如今，化學(xué)拋光技術(shù)在多種金屬加工、制備中有了很大的成就。其中，鋁合金的表面處理就需用到化學(xué)拋光，此工序能提升鋁合金的光反射能力與耐腐蝕性。由于鋁材料硬度低、質(zhì)軟，在加工時(shí)可能會(huì)有一些表面磨損，極大地影響了其外觀與耐腐蝕性。

機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光是目前主要的三種拋光方法。機(jī)械拋光能獲得較平整的產(chǎn)品，但加工時(shí)的受熱與壓力會(huì)使金屬表面不夠光亮且耐腐蝕性低，無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在機(jī)械拋光后需進(jìn)行化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光，以獲得表面光滑平整的優(yōu)質(zhì)膜層。

高精密的材料對(duì)表面的鏡面反射率與平整度的要求更高，需采用化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光對(duì)其進(jìn)行處理，使其符合質(zhì)量要求，同時(shí)也能應(yīng)用于一些不規(guī)則形狀材料的拋光處理。這兩種拋光方法既可以單獨(dú)使用，也可在機(jī)械拋光后進(jìn)行表面光潔、平整度的進(jìn)一步提升。

化學(xué)拋光不需要額外的機(jī)械設(shè)備，還能節(jié)省能源、便于操作、降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。化學(xué)拋光不僅在鋁表面的處理中極為重要，在銅合金、鈦合金、鎳合金以及鋼鐵制品中同樣發(fā)揮著重要作用。

目前，鋁材料的拋光多以三酸溶液體系為主，效率很高。但該過(guò)程中存在釋放氮氧化物污染環(huán)境、成本較高、不便控制用量等問(wèn)題。

一、研究目的

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，找到一種最優(yōu)的化學(xué)拋光方案，使其效率高、成本低、減少環(huán)境污染，并具備良好的拋光效果。

二、實(shí)驗(yàn)材料

恒溫水浴鍋， 天平，烘箱，量筒，燒杯。氫氧化鈉，硫酸，磷酸，鋁粉，檸檬酸，氯化銨，甘油，硫脲，2- 硫基苯并噻唑，十二烷基磺酸鈉，苯并三氨唑，聚乙二醇，鉬酸銨，乙二胺四乙酸，六次甲基四氨，過(guò)氧化氫，高錳酸鉀，過(guò)硫酸銨，硝酸銅。

三、拋光原理

通過(guò)將鋁材料加入濃酸中發(fā)生強(qiáng)烈的酸浸反應(yīng)，溶解除去表面物。其中某種成分發(fā)生氧化反應(yīng)，鋁表面鈍化形成一層氧化鋁，使此部分暫時(shí)受到保護(hù)。隨著氧化膜的不斷溶解與鈍化，凸面部分不斷被平整化直至與凹面處于同一平面，達(dá)到平整拋光效果。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

首先進(jìn)行打磨。用水性砂紙依次打磨，直至光亮。用等離子水清洗鋁件表面后進(jìn)行堿蝕（氫氧化鈉溶液對(duì)鋁件進(jìn)行腐蝕作用）。用等離子水清洗鋁件表面后再用鹽酸酸洗，之后用等離子水清洗鋁件表面，用烘箱進(jìn)行干燥。稱量鋁塊質(zhì)量 m 1，將鋁件放入拋光液，并將拋光液放入水浴鍋進(jìn)行拋光。用等離子水清洗鋁件表面，出光。之后再用等離子水清洗鋁件表面后用烘箱烘干，稱量鋁塊質(zhì)量 m 2。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1. 酸的選擇及酸含量比例對(duì)拋光液拋光效果的影響

傳統(tǒng)化學(xué)拋光液中含有硝酸，拋光時(shí)會(huì)產(chǎn)生氮氧化物氣體，不僅影響人的健康，還會(huì)污染環(huán)境，所以我想改用雙酸（即磷酸、硫酸）。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知，雙酸的含量比例決定了拋光溶液的效果。硫酸能使拋光更加平整化、均勻化，但過(guò)量會(huì)產(chǎn)生白色麻點(diǎn)，拋光效果不理想。而磷酸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不大。綜合減少成本、污染及效率最大化的原則，拋光液選用 65% 的磷酸與 30% 的硫酸。

2. 表面添加劑對(duì)拋光液拋光效果的影響

（1）不同表面添加劑對(duì)拋光液拋光效果的影響

一些有機(jī)化合物可在拋光液中起到表面活性劑、粘度調(diào)節(jié)劑、增溶劑、緩蝕劑或腐蝕劑的作用。表 1 為通過(guò)控制單一變量的方法探究 8 種不同有機(jī)添加劑對(duì)拋光效果的影響。

由表 1 可知，硫脲作為拋光液中的有機(jī)添加劑時(shí)光澤度最高，可抑制點(diǎn)蝕、提高樣品表面反射率及光澤度，經(jīng)其拋光后的鋁件光澤度最高，失重率最低。故選用硫脲作為拋光液中的表面添加劑。

（2）硫脲（CH 4N2S）的正交實(shí)驗(yàn)

接下來(lái)通過(guò)一組正交實(shí)驗(yàn)來(lái)確定硫脲在單位體積拋光液（20ml）中發(fā)揮最佳作用時(shí)的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表 2 可知，硫脲在 0.006g 時(shí)，鋁件光澤度最高，失重率最低。故單位體積拋光液中含 0.006g 的硫脲效果最佳。

3. 氧化劑對(duì)拋光液拋光效果的影響

表 3 為通過(guò)控制單一變量的方法探究 3種不同氧化劑對(duì)拋光效果的影響。

由表 3 可以看出，過(guò)氧化氫做氧化劑時(shí)的效果最佳，高錳酸鉀次之。但過(guò)氧化氫加熱時(shí)易分解，會(huì)影響藥品使用效果，故選用高錳酸鉀作為拋光液中的氧化劑。

對(duì)高錳酸鉀進(jìn)行 3 組控制變量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，單位體積拋光液中含 0.16g 高錳酸鉀效果最佳。

4. 鋁粉的正交實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋁粉在 0.01g 時(shí)鋁件光澤度最高，失重率較低。故單位體積拋光液中含 0.01g 鋁粉效果最佳。

5. 硝酸銅的正交實(shí)驗(yàn)

改變硝酸銅的用量研究其對(duì)拋光效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硝酸銅在 0.016g 時(shí)鋁件光澤度最高。故單位體積拋光液中含0.016g 硝酸銅效果最佳。

6. 甘油的正交實(shí)驗(yàn)

甘油可以防止酸霧產(chǎn)生，并與磷酸根離子生成配合物，起到緩蝕作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，甘油在 0.016g 時(shí)鋁件光澤度最高，失重率最低，故單位體積拋光液中含 0.016g 甘油效果最佳。

7. 各工藝條件對(duì)拋光效果的影響

（1）時(shí)間

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分析可得，當(dāng)拋光時(shí)間在 30s 至 60s 時(shí)，鋁件表面光澤度逐漸升高，形貌更加均一;當(dāng)拋光時(shí)間在 60s 至120s 時(shí)，鋁件表面光澤度逐漸降低，微觀結(jié)構(gòu)均一性也逐漸降低，且拋光時(shí)間為 60s時(shí)的失重率為較低值。綜合考慮，60s 為適宜拋光時(shí)間。

（2）溫度

按照化學(xué)拋光工藝參數(shù)，控制拋光時(shí)間為 60s，以不同拋光溫度做拋光實(shí)驗(yàn)，得出拋光溫度對(duì)拋光后鋁件參數(shù)的影響，同時(shí)通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）測(cè)試拋光后鋁件的表面形貌，以進(jìn)一步確定最優(yōu)的拋光溫度。80℃、90℃、95℃所得 AFM 圖像如圖 1 至圖 3 所示。

綜合所得，當(dāng)拋光溫度在 80℃至 85℃時(shí)，鋁件表面光澤度逐漸升高，失重率逐漸降低;當(dāng)拋光溫度在 85℃至 95℃時(shí)，鋁件表面光澤度逐漸降低，失重率逐漸升高。拋光溫度為85℃時(shí)，鋁件表面的微觀凸起清晰均勻，而其他溫度條件下得到的鋁件表面形貌顆粒較大。綜合考慮，85℃時(shí)為適宜拋光溫度。

六、結(jié)論

1. 經(jīng)過(guò)一系列正交實(shí)驗(yàn)，確定了鋁件拋光液最佳配方為（拋光液體積為 20ml）13ml H3PO4，6ml H 2SO4，0.006g CH 4N2S，0.16g KMnO4，0.01g 鋁粉，0.016g Cu（NO 3）2，0.016g 甘油。此配方能減少反應(yīng)污染，降低成本，且使反應(yīng)效率最大化。

2. 經(jīng)過(guò)拋光時(shí)間和拋光溫度的兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，確定了拋光實(shí)驗(yàn)的最佳工藝條件為：拋光時(shí)間為 60s，拋光溫度為 85℃。（指導(dǎo)老師：熊金平 杜春燕）