如何處理保護(hù)和裝飾鋁的表面？

輕金屬結(jié)構(gòu)材料Mg，Al，Ti中，鋁的密度（單位體積的質(zhì)量）和比強(qiáng)度（強(qiáng)度與密度之比），均處于中間的位置。但是鋁卻是有色金屬中應(yīng)用范圍zui廣闊，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)zui高，而且表面處理技術(shù)又zui成熟和有效的金屬材料。
盡管鋁合金的耐腐蝕性遠(yuǎn)勝于鋼鐵，但是通常鋁總是經(jīng)過(guò)表面處理手段，形成一層表面處理膜層，賦予鋁更好的保護(hù)性，裝飾性，及其他需要的功能后才使用的。陽(yáng)極氧化處理是zui常用的一種工藝手段，技術(shù)成熟，工藝流暢，成本不高，效果明顯。
1鋁的表面處理及其膜層
鋁的表面處理方法很多，請(qǐng)見表3。各種表面處理膜層的性能各具特點(diǎn)，根據(jù)使用環(huán)境和運(yùn)轉(zhuǎn)條件，選擇使用。

各類鋁表面處理膜層的特點(diǎn)
2.1 陽(yáng)極氧化膜
陽(yáng)極氧化處理是鋁合金材料經(jīng)常采用的表面處理手段。保護(hù)和裝飾用鋁陽(yáng)極氧化膜一般是10μｍ以上的多孔型陽(yáng)極氧化膜，其孔隙率一般為11~13%，其結(jié)構(gòu)由多孔層和阻擋層兩部分組成，屬非晶態(tài)氧化膜。阻擋層是緊靠鋁基體的極薄而致密的膜層，多孔層是以阻擋層為基底而生長(zhǎng)的，多孔層的厚度取決于陽(yáng)極氧化通過(guò)的電量。陽(yáng)極氧化膜可以通過(guò)有機(jī)染色或無(wú)機(jī)著色，也可以通過(guò)電解著色得到各種色彩。為了穩(wěn)定和延長(zhǎng)陽(yáng)極氧化膜的保護(hù)性，必須進(jìn)行封孔，包括各具性能特點(diǎn)的高溫封孔(沸水或高溫蒸汽)、中溫封孔和常溫封孔等，我國(guó)高溫封孔目前很少。陽(yáng)極氧化膜是在鋁表面共格生長(zhǎng)的一層氧化膜，附著性*,可以有效保護(hù)鋁基體不受腐蝕,氧化膜的硬度明顯高于鋁,普通陽(yáng)極氧化膜的顯微硬度為~300Hv，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化膜可達(dá)~500Hv。其膜厚，著色工藝和封孔工藝根據(jù)環(huán)境條件的要求選用。
2.2 微弧氧化膜
微弧氧化又稱等離子體微弧氧化,等離子體陶瓷化或電火花放電沉積技術(shù)，顧名思議是在高外加電壓下，使原來(lái)的非晶態(tài)的氧化膜在微弧作用下發(fā)生相和結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，生成結(jié)晶態(tài)的α-Al2O3和γ-Al2O3。微弧氧化膜特點(diǎn)是低孔隙率(低于4%),高硬度(高于Hv1000)和高耐磨性。但是不能象普通陽(yáng)極氧化膜那樣著色，而且能耗很高，除非特殊需要通常不會(huì)采用微弧氧化。前蘇聯(lián)規(guī)定出海艦船的鋁合金部件需要進(jìn)行微弧氧化處理。為了降低電能消耗，發(fā)展了無(wú)火化微弧氧化，新西蘭開發(fā)的鎂合金的Anomag技術(shù)就是一例。通常微弧氧化膜表面有一定厚度的疏松層，使用之前應(yīng)該除去。
2.3 陽(yáng)極氧化復(fù)合膜（簡(jiǎn)稱復(fù)合膜）
復(fù)合膜包括陽(yáng)極氧化膜和電泳涂漆膜兩層，通常兼具陽(yáng)極氧化膜和有機(jī)聚合物膜（一般采用丙烯酸樹脂）的雙重優(yōu)點(diǎn)。其硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性強(qiáng)，漆膜附著性好，不僅具備表面有機(jī)化合物膜優(yōu)異的耐腐蝕性，而且具有十分優(yōu)異的耐膜下絲狀腐蝕性能，建筑鋁合金門窗已經(jīng)廣泛應(yīng)用復(fù)合膜。其工藝特點(diǎn)不僅可以相當(dāng)控制電泳漆膜的厚度，而且漆膜厚度（一般為10μｍ以上）的分布非常均勻，可以均勻覆蓋在鋁合金陽(yáng)極氧化膜上的所有位置。
2.4 有機(jī)聚合物噴涂膜（含輥涂膜）
建筑和裝飾用鋁及鋁合金有機(jī)聚合物噴涂膜主要有粉末噴涂膜（常采用環(huán)氧樹脂或聚酯樹脂）、氟碳漆噴涂膜等，其色彩豐富而且工藝簡(jiǎn)單。為了保證有機(jī)聚合物膜對(duì)于基體鋁合金的附著性和提高膜層下的耐腐蝕性，一般在噴涂處理前需要對(duì)鋁及鋁合金制品進(jìn)行鉻酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜很薄（有時(shí)也采用陽(yáng)極氧化膜做底層），而表面的有機(jī)聚合物膜比較厚(一般高于60μｍ)。鑒于六價(jià)鉻離子對(duì)于環(huán)境的巨大危害，因而逐漸在減少其工業(yè)應(yīng)用。無(wú)鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理包括鋯鈦系處理、有機(jī)硅烷等，但是目前的無(wú)鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的工藝性能和膜層性能均不如鉻酸鹽處理。有機(jī)聚合物噴涂或輥涂膜應(yīng)關(guān)注其膜下的絲狀腐蝕問題。
2.5金屬鍍層
電鍍是一項(xiàng)比較傳統(tǒng)的表面處理工藝，化學(xué)鍍也有相當(dāng)長(zhǎng)的工業(yè)化生產(chǎn)歷程。鋁合金的金屬鍍層，如鍍Ni，鍍Cr都比較成功用于工業(yè)實(shí)踐。但是鋁合金上金屬鍍層遠(yuǎn)比鋼或銅商困難，應(yīng)關(guān)注鍍層的附著性（結(jié)合力）。
3選擇鋁合金表面膜層的考慮因素
從不同表面處理膜層的特點(diǎn)出發(fā),按照使用環(huán)境類型和使用條件的化學(xué)因素和機(jī)械因素, 考慮在使用環(huán)境中的膜層的性能下降，不致使產(chǎn)品腐蝕和影響產(chǎn)品的外觀，為此在選擇膜層類型之前，應(yīng)先確定使用區(qū)域的環(huán)境類型，我國(guó)GB/T 15957-1995《大氣環(huán)境腐蝕性分類》將大氣類型分為工業(yè)大氣、城市大氣、海洋大氣和鄉(xiāng)村大氣四大類，并按濕度分為潮濕型環(huán)境、普通型環(huán)境和干燥型環(huán)境。也就是說(shuō)，應(yīng)該考慮環(huán)境的溫度，濕度，輻照，污染，以及冷熱交替和干濕交替等狀況，還要注意使用中的液體沖刷，固體顆粒的沖擊等因素，對(duì)于使用狀態(tài)和條件作出全面判斷。在選擇有機(jī)聚合物膜時(shí)，還應(yīng)該特別考慮大氣的紫外線輻照強(qiáng)度的影響。
3.1 環(huán)境類型
不同環(huán)境類型所選擇的膜層類型可能不同，在國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)環(huán)境類型有多種分類方法，ISO 9223:2012《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕性 分類》以腐蝕性程度高低劃分為6類，詳見表3所示室外環(huán)境和室內(nèi)環(huán)境的分類。

3.2 不同環(huán)境類型的膜層選擇
ISO 16688-x Guideline for the selection of coating types,tests and methods of assessing the performance of coated aluminium
GB x-x 建筑和裝飾用鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化膜和有機(jī)聚合物膜層，性能及檢測(cè)方法選擇指南
陽(yáng)極氧化膜、復(fù)合膜、粉末噴涂膜、氟碳漆噴涂膜和丙烯酸漆噴涂膜都具有一定的保護(hù)和裝飾功能，適用于鋁合金建筑結(jié)構(gòu)部件和車輛部件等使用，但由于不同膜層的性能有一定差異，因此應(yīng)根據(jù)不同的使用環(huán)境條件選擇相適用的膜層。其中，紫外光輻射是一個(gè)重要的影響因素，在選擇膜層時(shí)應(yīng)加以考慮。對(duì)于銀白色陽(yáng)極氧化膜來(lái)說(shuō)，紫外光輻射對(duì)其無(wú)明顯影響，而對(duì)于染色陽(yáng)極氧化膜和其他有機(jī)聚合物涂層，紫外光輻射有不同程度的影響，在紫外光輻射強(qiáng)烈的區(qū)域，建議選擇銀白陽(yáng)極氧化膜、高耐候等級(jí)的復(fù)合膜、高耐候等級(jí)的粉末噴涂膜和氟碳漆噴涂膜。
除了膜層類型選擇外，還要根據(jù)不同環(huán)境考慮膜層厚度，工藝程序（如陽(yáng)極氧化膜的著色和封孔等），有機(jī)涂層的樹脂品質(zhì)等。現(xiàn)簡(jiǎn)介鋁合金主要膜層，即陽(yáng)極氧化膜，復(fù)合膜和噴涂膜在工業(yè)城市大氣，海洋大氣中或鄉(xiāng)村大氣中的選擇說(shuō)明。
3.2.1工業(yè)和城市環(huán)境
（1）陽(yáng)極氧化膜
陽(yáng)極氧化膜表面由于空氣中酸性物質(zhì)而容易出現(xiàn)性能衰退現(xiàn)象，污染嚴(yán)重的工業(yè)區(qū)域損害尤其突出，高溫和干濕交替的大氣環(huán)境也會(huì)加速其性能衰退。因此，工業(yè)和城市污染嚴(yán)重且溫差較大的潮濕環(huán)境應(yīng)選擇高膜厚級(jí)別的陽(yáng)極氧化膜，對(duì)于工業(yè)和城市污染嚴(yán)重且溫差較大的干燥環(huán)境宜選擇高膜厚級(jí)別的熱封孔陽(yáng)極氧化膜。
（2）復(fù)合膜
復(fù)合膜由于鋁陽(yáng)極氧化膜的存在，金屬基體不易受到機(jī)械損傷，且不容易產(chǎn)生膜下絲狀腐蝕。其表面也是有機(jī)聚合物膜，只是噴涂常采用聚酯樹脂，而電泳漆膜是丙烯酸樹脂。工業(yè)和城市污染嚴(yán)重的環(huán)境宜選擇高質(zhì)量等級(jí)的陽(yáng)極氧化復(fù)合膜。
（3）噴涂膜（含輥涂膜）
噴涂膜由于空氣中酸性物質(zhì)的存在而容易出現(xiàn)性能衰退現(xiàn)象，污染嚴(yán)重的工業(yè)區(qū)域損害更為突出。長(zhǎng)時(shí)間處于濕熱的環(huán)境下會(huì)加速水和有害離子對(duì)有機(jī)膜的滲透。機(jī)械損傷也會(huì)加速膜層在工業(yè)和城市環(huán)境中的侵蝕，而且應(yīng)該關(guān)注膜下的絲狀腐蝕。因此，工業(yè)和城市污染較為嚴(yán)重的潮濕熱帶環(huán)境，宜選擇高質(zhì)量等級(jí)噴涂膜，如高耐候性粉末噴涂膜或氟碳漆噴涂膜。
3.2.2 海洋環(huán)境
（1）陽(yáng)極氧化膜
在沒有酸性污染的環(huán)境條件下，陽(yáng)極氧化膜具有良好的耐鹽水鹽霧性能。如果酸性環(huán)境條件導(dǎo)致氧化膜局部溶解，那末氯離子會(huì)加速鋁基材的侵蝕。溫差大的海洋環(huán)境地區(qū)宜選擇高膜厚級(jí)別的陽(yáng)極氧化膜。
（2）復(fù)合膜
綜上所述復(fù)合膜不易受到傷及金屬基體的機(jī)械損傷，也不容易產(chǎn)生膜下絲狀腐蝕，而且有表面有機(jī)聚合物的保護(hù)，明顯提高海洋環(huán)境的耐腐蝕性。為此復(fù)合膜適用于海洋環(huán)境。
（3）噴涂膜
海洋環(huán)境中存在著氯離子，氯離子逐漸滲透到鋁基體表面導(dǎo)致膜層性能衰退。長(zhǎng)時(shí)間處于濕熱環(huán)境，并存在其他離子會(huì)提高膜層的滲透性，機(jī)械損傷更會(huì)加速氯離子對(duì)基材的侵蝕。因此，潮濕的熱帶海洋環(huán)境宜選擇高質(zhì)量等級(jí)噴涂膜，如高耐候性粉末膜噴涂膜或氟碳漆噴涂膜。
3.2.3鄉(xiāng)村環(huán)境
鄉(xiāng)村環(huán)境大氣環(huán)境條件好，不存在海洋環(huán)境中的氯離子侵蝕以及工業(yè)和城市環(huán)境污染的影響，因此各類膜層都可選用。但是對(duì)于溫差大且干燥的鄉(xiāng)村環(huán)境，不推薦高膜厚等級(jí)的中溫或常溫封孔的陽(yáng)極氧化膜，對(duì)于紫外輻射強(qiáng)的鄉(xiāng)村環(huán)境宜選用銀白陽(yáng)極氧化膜、電解著色陽(yáng)極氧化膜、高耐候復(fù)合膜、高耐候粉末噴涂膜或氟碳漆噴涂膜，不建議選用染色陽(yáng)極氧化膜和普通有機(jī)聚合物膜。

4鋁合金表面處理膜層的性能和監(jiān)測(cè)方法
鋁合金表面處理膜層的性能檢測(cè)方法，已經(jīng)有明確，專業(yè)，完整的標(biāo)準(zhǔn)和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)可循，而且還有行業(yè)內(nèi)部或企業(yè)內(nèi)部的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，如美國(guó)建筑制造商協(xié)會(huì)AAMA標(biāo)準(zhǔn)，福特汽車公司的監(jiān)測(cè)方法等。由于檢測(cè)內(nèi)容具體繁雜，本報(bào)告簡(jiǎn)單介紹鋁表面處理的產(chǎn)品和性能檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)（見附錄），詳情請(qǐng)參閱本人的專著：“鋁合金表面處理膜層性能及測(cè)試。