铝合金磷化液及其工艺的研究和应用_余忠景.pdf

年第 期铝合金磷化液及其工艺的研究和应用余忠景，张旭（上海恩坤工业技术有限公司，上海 ）摘要：本文中合成了一种用于铝硅合金表面黑色磷化的磷化剂，解决现有技术中铝合金磷化液中含有较高重金属离子、污染环境、使用后残渣较多并且对人体有害的等问题，并对其使用工艺进行了研究，最终确定了合适的指标参数以及工艺参数，本文中的磷化液对铝活塞磷化后，磷化液中沉渣较少，磷化膜粗糙度 ，表面平整，呈光亮的黑色外观。关键词：铝合金；磷化；环保；活塞中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：余忠景（），硕士，上海恩坤工业技术有限公司技术部表面处理组组长。概述目前，随着各个车企对内燃机性能要求的提高，对于活塞的品质也有了更严苛的要求。而铝活塞又是活塞市场的主力成员，厂家对于铝活塞的各项性能，例如耐磨性，润滑性等也有了更高的要求，目的是延长活塞的使用寿命。为此，会对铝活塞进行涂装处理。但是，若是对未经前处理的铝活塞进行涂装，容易导致其涂层的脱落，会造成的返工率。为了提高铝活塞涂装后的良率，并且增加其与涂层的结合力和储油能力，通常都会对铝活塞进行表面处理。常用的金属表面预处理的方法有锆化、硅烷偶联化以及磷化等。这些处理各有各的优点，但是也都存在着一些弊端。锆化处理 可 以 在 常 温 的 条 件 下 进 行，能 明 显 提 高后续涂装的性 能，但 是 通 过 锆 化 处 理 得 到 的 锆 化 膜 膜层薄，膜层储油量较低，润滑度较差，锆化膜为灰色，达不到客户一般 需 要 的 黑 色；硅 烷 偶 联 剂 作 为 绿 色 环 保金属表面处理技术，近年来发展火热，但是其价格较高且硅烷偶联剂 种 类 繁 多，不 同 种 类 的 硅 烷 偶 联 剂 理 化性质差异很 大，通 用 性 较 差，易 失 效，也 达 不 到 客 户 需要的黑色外观。磷化是金属与稀磷酸或磷酸盐溶液反应在其表面形成磷酸盐膜的保护过程，反应生成的磷化膜和基体结合牢固，且有微孔结构，具有良好的吸附性能。磷化的目的一方面是在金属表面形成一层多孔的磷化膜，进行储油，从而达到润滑的目的；另一方面，形成的磷化膜可以起到防锈防腐的作用，提高后续涂层的结合力，以达到客户对黑色外观的要求。因此磷化是现阶段较为常用的一种表面预处理技术。然而关于铝合金的磷化相对于钢铁磷化报道较少，主要是由于铝合金在一般磷化液中成膜困难，膜质量较轻难以满足涂装要求；其次，铝合金表面处理工艺较多，其中有不少成熟工艺已广泛使用，因此对铝合金磷化技术一直关注较少。近年来，铝合金在汽车、摩托车零部件中的应用日益广泛，铝合金磷化工艺的研究和应用也逐渐活跃起来。因此，对铝活塞进行磷化处理以满足其涂装的要求，是一个不错的选择。铝活塞的磷化不仅能提高石墨层与金属铝的结合强度，还对铝及镶嵌的其他黑色金属均能起到防护作用，对几何尺寸以及表面粗糙度要求不高的工件，磷化是一种有效的表面处理方法。国内对铝活塞的磷化工艺研究很少，高档的磷化液都是靠进口磷化浓缩液引进配方，如果能在这方面做些研究，将给国家带来很大的经济效益。由于铝合金耐酸性较好，在磷化液中引入能够促进膜层在金属表面的生长，的含量会明显影响最终的成膜质量。因此。在当前铝活塞磷化技术中，大多数厂家都采用氟硼体系的磷化液，导致磷化液中氟离子含量较高，大多在 ，且普遍使用大量的磷酸，因DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.024内燃机与配件 此含磷，氟等离子较高，环境污染严重，废液处理困难、使用后残渣多、维护麻烦等问题，尚未提出良好的解决方案。因此合成一种较低磷、氟含量且沉渣较少，工艺简单，寿命稳定的铝合金磷化液以及研究其使用工艺非常有必要。本研究中开发了一种不含磷酸，磷、氟含量低的铝活塞磷化配方及工艺，通过小试中试放大的步骤，确定了磷化液的最终配方以及工艺参数，并且磷化液寿命可观，磷化液多次反应后沉渣较少，磷化膜粗糙度 ，表面平整，呈光亮的黑色外观。实验部分 铝合金基体试验中所用金属材料为 铝 合 金，其 化 学 成 分（质量分数，）如下：，剩余。铝合金加工至尺寸为 （）的试片，使用 号砂纸打磨试样使其表面光滑平整，然后对其表面清洗脱脂，清洗后，置于清水中备用。检测方法 游离酸度移取 磷 化 液，置 于 锥 形 瓶 中，加 水 ，滴溴酚蓝指示剂，用 滴定至溶液由黄色变为蓝色即为终点，滴定所消耗的氢氧化钠体积记作（）。计算：（游离酸），单位：点。其中，氢氧化钠溶液的浓度，总酸度移取 磷 化 液，置 于 锥 形 瓶 中，加 水 ，滴酚酞指示剂，用 标液滴定至溶液由无色变为淡粉色，即为终点，滴定所消耗的氢氧化钠体积记作（）。计算：（总酸），单位：点。其中，氢氧化钠溶液的浓度，氟离子含量使用上海雷磁 离子计进行测量。工艺流程铝合金磷化工艺的流程为：清洗脱脂水洗磷化漂洗热水漂洗烘干。结果讨论 主要成分的确定根据活塞对磷化膜的特殊要求，比如：外观，耐磨，均匀性，镶圈不变色等，选择氟硼酸盐体系的磷化，配方如下：组分 ；组分 ；组分 ；组分 ；组分 ；组分 。磷化工艺对磷化结果的影响磷化工艺的温度，时间以及磷化液的浓度是影响磷化效果的主要因素，进行了以下实验安排：将 的铝片在以下条件下，分别进行磷化：）磷化液的组成见表：表小试中磷化液的组成原料比例 余量为水）磷化液的浓度：磷化液原液，：稀释，：稀释；所述比例为体积比。）温度：，；）时间：，。磷化试验结果见表：表小试磷化试验结果对比原液：稀释：稀释，成膜发白，颜色不均匀成膜不均匀成膜极差，可见金属基体，成膜发白，颜色不均匀成膜发白，颜色不均匀成膜差，可见金属基体，成膜发白，颜色不均匀成膜略微发白，不均匀成膜薄，不均匀，可见金属基体，成膜发白，颜色不均匀成膜发白成膜优异，成膜发白，颜色不均匀成膜尚可，略微不均匀成膜优异，成膜良好成膜优异成膜优异，成膜良好成膜优异成膜良好，成膜不均匀成膜较好，略微发白成膜良好，成膜略微发白成膜尚可，略微不均匀成膜良好酸度检测结果见表：表小试磷化液的酸度检测结果原液：稀释：稀释游离酸 总酸 酸比 根据磷化结果可知，磷化液在：稀释的情况下，磷化温度为 时，磷化 ，成膜效果更好，更稳定。而根据酸度检测结果，可知：由于未稀释的磷化液，游离酸较高，铝合金试片成膜后，在磷化液中，磷化膜会继续被游离酸所腐蚀，导致了其成膜不均匀，并且由于其酸比较大，成膜较慢，因此成膜会 年第 期发白，导致成膜效果不稳定。磷化液按：以及：稀释后，由于其游离酸较低，反应速度较慢，在相对较低的温度以及较短的时间内，成膜情况不佳。当升温后，促进了磷酸二氢盐的水解，会使得游离酸升高，由于：稀释后的磷化液，总酸较高，其中一部分磷酸盐会解离出氢离子，使得游离酸升高，这就导致了 时，：稀释后的磷化液，磷化时间越长，成膜效果反而变差了。综合考虑磷化液的寿命，成本，磷化效果稳定性等，确定该磷化液按：的比例稀释后，磷化温度为 ，时间为 ，为该磷化液优选的工艺条件。将 的铝合金试片在：稀释后的磷化液进行磷化，磷化条件为，磷化 ，磷化后将其磷化膜置于 倍光学显微镜下进行观察，如图可知，该磷化后成膜晶粒较小，致密，均匀平整。图 倍光学显微镜下的磷化膜 铝工件磷化为了验证小试中得出的结论，我们按照前述配方，配置了 磷化液，通过采用手工线的方式，对铝工件进行磷化。磷化铝工件的具体配方见表：表磷化铝合金工件时的磷化液组成原料比例 余量为水具体工艺如下：）清 洗：脱 脂 剂 浓 度，温 度 ，时 间 ；）漂洗：常温自来水，；）磷化：按照表配方配制得到的磷化液，按：的比例稀释，在 下，磷化 ；）漂洗：常温自来水，；）热水：自来水，；）烘干：可用电吹风吹干，或者烘箱烘干。根据上述配方和工艺，铝合金工件磷化效果较好（见图），成膜致密、均匀，且未产生掉膜，挂灰等异常现象。图小试铝合金工件磷化外观（左未磷化，右磷化后）中试实验为进一步确保该磷化剂对铝活塞磷化的优异效果，我们在现场用手工小线进行了中试试验。中试所用磷化剂配方见表：表中试时磷化液的组成原料比例 余量为水由于每批次磷化的活塞较多，提高了和的用量，测得游离酸：，总酸：，酸比：，氟离子含量为 。一共四个槽，每个槽 。第一槽为脱脂槽，添加 脱脂剂；第二槽为漂洗槽，使用常温或者常温流动的自来水即可；第三槽为漂洗槽，使用常温的自来水即可；第四槽为热水槽。中试实验配槽的条件见表。表中试时工艺流程以及各槽的工艺条件槽号清洗时间温度添加药剂药剂比例脱脂槽 脱脂剂 漂洗槽 常温自来水无磷化槽 磷化剂 热水槽 热自来水无在测试过程中，对活塞进行磷化，活塞磷化效果较好，如图：图中试铝活塞磷化 放大实验根据中试时的工艺条件到某活塞厂进行了现场放大实验，放大实验所配制磷化液的配方见表：内燃机与配件 表放大实验时磷化液的组成原料比例 余量为水溶液量为 ，按比例配制磷化液，因一批活塞进入槽液中会降低槽液的温度，为了保证磷化的反应温度控制在为 ，预 先 将 磷 化 液 的 温 度 控 制 在 ，磷化 ；并且，根据现场情况，为了提高成膜组分的浓度，并且确保磷化液的寿命，增加了以及的用量。现场测得其游离酸：，总酸：点，酸比：，氟离子含量 根据以下工艺进行磷化，磷化了 只活塞，外观见图。放大工艺的配槽条件见表。表放大实验工艺流程以及各槽工艺条件槽号清洗时间温度添加药剂药剂比例脱脂槽 脱脂剂 漂洗槽 常温自来水无磷化槽 磷化剂 热水槽 热自来水无磷化后的磷化膜灰黑色，光亮，均匀，磷化膜粗糙度 （见图），平整，放大实验与试验结果一致，并且具备优良的结合力（见图），说明该工艺稳定，能应用于实际生产。图放大实验铝活塞磷化后外观图活塞成膜粗糙度情况（左为其他磷化液，右为前述磷化液）图活塞磷化膜结合力验证结束语：基于对以上结果的分析，本文中记载了一款较低氟、磷离子的铝合金磷化液，确定了该磷化液应用的工艺参数。并且通过小试中试放大验证了其磷化效果，磷化膜平滑，完整，黑亮，粗糙度达到 ，磷化效果优异，氟离子含量较低为 。对于铝合金磷化，尤其是铝合金活塞磷化，研究出一款环保高效的磷化液有着非常重要的意义。参考文献：谢素玲 近十年来磷化技术的进展 电镀与涂饰，（）：杨代华，牛龙江内燃机活塞环磷化液的研制和应用电镀与涂饰，（）：郭贤烙 常温快速磷化工艺的研究 电镀与精饰，（）：曾德芳，刘志明环保型单组分低温磷化液的研制与应用表面技术，（）：钟雪丽，曲黎，铝合金工艺探讨 电镀与精饰，（）：徐铭玉 球铁活塞环中温磷化工艺机车车辆工艺，张碧泉，卢兆忠不锈钢上紫红色铬酸盐转化膜的研究材料保护，（）：