CN102212812A - 一种压铸铝合金零部件无铬稀土环保化学转化处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压铸铝合金零部件无铬环保化学转化处理工艺，该工艺包括压铸铝合金零部件表面喷砂处理、压铸铝合金零部件表面预处理工艺、无铬环保转化液的配置、化学转化处理和化学转化处理后封闭处理。该化学转化膜层以四价铈的氧化物为膜层组成之一，膜层为均匀黄褐色且厚度大约2μm。该方法制备的化学转化膜层耐蚀性能优异，可与三价铬化学转化膜相媲美，该膜与基体结合强度高，化学转化处理后的产品或排放物中不含有对环境和人体健康有害的六价铬。
Description
技术领域
本发明涉及一种压铸铝合金零部件表面化学转化处理方法，特别是涉及压铸铝硅合金表面无铬环保化学转化处理工艺，可以在压铸铝硅合金零部件表面获得厚度均匀、致密的黄褐色无铬保护膜层，可将此膜作为压铸铝硅合金零部件裸膜使用，代替传统的六价铬和三价铬化学转化处理。
背景技术
汽车工业的发展，汽车保有量的增大，在促进我国制造业发展和给人们生活带来方便的同时，也产生了油耗、排放和安全三大问题；轻量化是汽车工业节能减排的重要手段，而轻量化必然导致铝合金在汽车上的大量应用。典型的铝质零件一次减重效果可达30-40%，二次减重则可进一步提高到50%。2006年欧美日的小汽车平均用铝量已经达到127kg/辆。欧洲铝协（EAA）预测，在2015年前，欧洲小汽车用铝量将增至300kg/辆，如果轿车的零部件，凡是可用铝合金制造的都用其代替，那么每辆车的平均用铝量将达到454kg，轻量化的效果将大大提高。汽车重量每减轻10%，最多可实现节油8%。每使用1kg铝，可使轿车在寿命期内减少20kg尾气排放。目前应用于汽车的铝合金包括：车身覆盖件的铝合金板材、铸造铝合金零部件、挤压型材、锻造铝合金、铝线材/铝合金复合材料等其他应用。
铝及其合金虽然被广泛的应用，但是由于铝的电极电位较低，当在潮湿环境中与高电位金属接触时，极易产生接触腐蚀。另外铝合金在制造过程中，由于追求高的力学性能和其他方面的综合性能而添加各种合金元素，这些元素的存在使得铝合金内部化学成份和组织不均匀，再加上热处理和加工过程中残余应力的存在，使得铝合金材料在使用环境中极易造成微电池腐蚀。而且铝合金在使用环境中，不可避免地存在着潮湿空气，这些潮湿空气凝结在铝合金材料表面形成水膜，更为严重的是潮湿空气中存在一定含量的Cl-、SO2、H2S、CO2等物质，在这种情况下，铝合金材料更容易发生点蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀等形式的破坏。
目前，型材铝合金阳极氧化技术和铬酸盐化学氧化技术得到广泛的应用，对于压铸铝合金零件，由于其形状复杂和合金元素含量高而不能采用阳极氧化，而铬酸盐化学氧化成本低、操作方便、耐蚀性能高而被广泛使用。但从2007年开始，欧洲和北美已全面禁止铝合金表面铬酸盐处理的各类产品，如铝型材、汽车零部件和电子产品等，因为六价铬对人体的致癌危害。铬酸盐化学转化处理的替代技术研究开发受到广泛的关注，目前的替代技术主要有三价铬化学钝化、无机盐无铬化学转化和有机膜处理法，三价铬钝化是利用三价铬与氟离子和磷酸根等离子形成络合物钝化膜防腐蚀，但是三价铬也对人类健康存在着潜在的危害，如02122325.4、03143851.2、US7018486B2、200710034656.5、200810196013.5、US7029541B2等专利；无机无铬处理方法主要是采用：锆、钛、钴、钼、稀土等金属无机盐作为成膜溶液的主盐，在铝合金表面形成一层较薄的转化膜，如200510100993.0、200610103829.X、200610046292.8、200680002318.7、200810027556.4等专利；有机膜处理法是利用有机硅烷能够改善聚合物与无机材料之间的粘合力而在金属表面形成一层有机保护膜，但成膜时间非常慢且成本高，如US4689085、US6596835B1、US6562148B1、US6436475B1等专利。但是，上面所述的六价铬的替代技术专利主要是针对铝型材，如防锈铝、2系铝合金、6系铝合金等，对于压铸铝合金不一定适用。因为铝合金按所处相图的位置其可分为形变铝合金和铸造铝合金。形变铝合金根据固溶线可分为可热处理强化的形变铝合金和不可热处理强化的形变铝合金，可热处理强化的形变铝合金牌号为2000系、4000系、6000系和7000系，不可热处理强化的形变铝合金牌号为3000系和5000系；铸造铝合金根据合金元素含量又可分为Al- Si系、Al-Cu系、Al-Mg系和Al-Zn系，其相应牌号为：Al- Si系如ZL1XX，Al-Cu系牌号ZL2XX，Al-Mg系ZL3XX和Al-Zn系ZL4XX。
压铸铝合金和型材铝合金合金元素有很大的差别，如压铸铝硅合金和型材铝合金的硅元素质量分数相差10%左右，压铸铝硅合金的零部件复杂并且要求气密性良好，所以加入大量的硅元素而形成流动性好的共晶组织来消除缩颈、气孔等缺陷。由于压铸铝硅合金的高硅特点而使其防腐性差，化学转化处理后防腐效果不如型材铝合金，并且目前的铝合金化学转化处理专利主要是针对型材铝合金的防腐，还有些是作为油漆涂料底膜。由于铝合金的种类就有14种，牌号繁多，化学转化处理不能以以偏概全，所以本发明涉及一种压铸铝合金表面化学转化处理工艺，特别是涉及压铸铝硅合金表面无铬稀土环保化学转化处理工艺，可以在压铸铝硅合金零部件表面获得厚度均匀、致密的黄褐色无铬保护膜层，可作为压铸铝合金零部件裸膜抗腐蚀使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种环保、低成本、速度快和防腐效果良好的压铸铝合金零部件无铬环保化学转化处理工艺。
为了实现上述的发明目的，本发明是通过以下技术方案：
（1）压铸铝合金零部件表面预处理工艺：首先，压铸铝合金零部件经过喷砂处理，表面面获得一定的清洁度和粗糙度，零部件表面粗糙度控制在30-100um，使工件表面的机械性能得到改善，增加了它和化学转化层之间的附着力；其次，喷砂后的压铸铝合金零部件通过机床加工成为产品，如打孔、倒角、精铣精磨等机械加工；然后，碱液除油剂超声波除去零部件表面机加工时的油污，碱液除油后用去离子水冲洗零部件；最后，酸洗活化，去除表面的氧化膜，使压铸铝合金零部件表面光亮和为下步化学转化处理作准备，酸洗后用去离子水冲洗零件；
（2）无铬环保化学转化处理液的配置：本处理液由A、B两组分复合而成，
所述的A组分是由稀土盐、表面活性剂和活化剂组成，所述的B组分是由氧化剂和成膜促进剂组成；化学转化溶液A组分中稀土盐含量为2-30g/L，表面活性剂为0.5-10g/L，活化剂为4-20g/L，化学转化溶液B组分中氧化剂含量为0.5-10g/L，成膜促进剂含量为2-6 g/L；
（3）压铸铝合金零部件化学转化处理工艺：将步骤（2）中A组分和B组
分溶液以1:1的比例的配比使用，化学转化溶液的温度控制在50℃-80℃，时间3-15分钟，处理液的pH值1-3；然后将经过步骤（1）处理后的压铸铝合金零部件进行化学转处理，其微观形貌如图7所示，含有大量孔洞和微裂纹；
（4）压铸铝合金零部件后处理工艺：将经过步骤（3）处理的压铸铝合金零
部件在80℃-100℃的去离子水中封闭5分钟-25分钟，然后烘干，其宏观形貌如图1中（3）所示，微观形貌如图8所示，孔洞和微裂纹被封住，其耐蚀性相对未后处理有很大提高，如图10中（b）和（c）对比；
所述步骤（2）中，A组分中稀土盐选自氯化铈、硝酸铈和硫酸铈中的一种或两种，表面活性剂选自硬脂酸、月桂酸和十二烷基苯磺酸钠中的一种，活化剂为含氟离子盐；B组分中氧化剂选自高锰酸钾、双氧水、氯酸钾、过硫酸铵中一种或多种，成膜促进剂选自氯化锶、磷酸、单宁酸和次氮基三亚甲基三膦酸（ATMP）中一种或两种。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
（1） 本发明是针对压铸铝合金零部件表面转化处理，而不像以往专利中主
要是针对型材铝合金表面转化处理，由于铝合金种类繁多，不同种类的铝合金其合金成分有很大不同，化学转化处理配方不能以偏盖全，化学转化处理要专一化。
（2）压铸铝合金零部件表面化学转化膜层以四价铈的氧化物为膜层组成之一，膜层中不含有对环境和人体健康有害的六价铬；膜层均匀，外观形貌如图8所示，厚度如图9所示为2μm左右。
（3）压铸铝合金零部件经过本发明化学转化处理工艺后，其抗盐雾性能有很大的改善，其与未处理的压铸铝合金相比，耐蚀性能提高了30倍，微观腐蚀形貌如图10中（a）和（c）对比；如图2～7所示，三价铬处理是采用美国汉高公司生产的三价铬化学转化溶液，经过本发明无铬环保化学转化处理工艺后的压铸铝合金零部件与经汉高三价铬化处理后的压铸铝合金零部件进行中性抗盐雾性能对比，从三组图中可以得出压铸铝合金无铬环保化学转化处理工艺在抗盐雾性能上可与压铸铝合金三价铬化学转化处理相媲美，其耐中性盐雾时间可达25小时，压铸铝合金三价铬化学转化处理耐中性盐雾时间为30小时。
附图说明
图1 图（a）、图1（b）、图1（c）是压铸铝合金在未处理、三价铬处理、无铬环保化学转化处理后的实物对比图。
图2（b）、图2（c）分别是压铸铝合金在经三价铬处理和无铬环保化学转化处理后在中性盐雾试验12小时的实物对比图；
图3（b）、图3（c）分别是压铸铝合金在经三价铬处理和无铬环保化学转化处理后在中性盐雾试验15小时的实物对比图；
图4（b）、图4（c）分别是压铸铝合金在经三价铬处理和无铬环保化学转化处理后在中性盐雾试验30小时的实物对比图；
图5（b）、图5（c）分别是压铸铝合金在经三价铬处理和无铬环保化学转化处理后在中性盐雾试验35小时的实物对比图；
图6（b）、图6（c）是压铸铝合金在经三价铬处理和无铬环保化学转化处理后在中性盐雾试验45小时的实物对比图；
图7是压铸铝合金化学转化处理后表面膜层形貌；
图8是压铸铝合金化学转化处理后，再经热水封闭处理后表面膜层形貌；
图9压铸铝合金化学转化处理后表面膜层厚度，其中1为树脂层，2为铝合金基体；
图10图（a）、图（b）、图（c）分别为压铸铝合金零部件表面未做任何处理、压铸铝合金零部件表面化学氧化、压铸铝合金零部件表面化学氧化和封闭处理经中性盐雾试验30小时后微观腐蚀形貌。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的技术特点，下面结合实施例对本发明的作进一步的说明。
实施例1：
配置化学转化液组分A：硝酸铈10g/L，表面活性剂硬脂酸2g/L，活化剂氟化钾4g/L；组分B：高锰酸钾5g/L，磷酸4g/L；使用时，将A和B两组分溶液以1:1的体积比配置，将经过预处理的压铸铝合金零部件浸泡在化学转化液中，在80℃下转化处理6分钟，然后去离子水清洗零部件，放入90℃度去离子水中封闭10分钟，最后烘干。测试压铸铝合金零部件所得化学转化膜的耐中性盐雾时间为2小时。
实施例2：
配置化学转化液组分A：硝酸铈10g/L，表面活性剂月桂酸2g/L，活化剂氟化钠4g/L；组分B：双氧水5g/L，单宁酸4g/L；使用时，将A和B两组分溶液以1:1的体积比配置，将经过预处理的压铸铝合金零部件浸泡在化学转化液中，在80℃下转化处理6分钟，然后去离子水清洗零部件，放入90℃度去离子水中封闭10分钟，最后烘干。测试压铸铝合金零部件所得化学转化膜的耐中性盐雾时间为5小时。
实施例3：
配置化学转化液组分A：氯化铈10g/L，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠2g/L，活化剂氟化钾2g/L；组分B：氯酸钾1g/L，氯化锶1g/L；使用时，将A和B两组分溶液以1:1的体积比配置，将经过预处理的压铸铝合金零部件浸泡在化学转化液中，在60℃下转化处理5分钟，然后去离子水清洗零部件，放入90℃度去离子水中封闭5分钟，最后烘干。测试压铸铝合金零部件所得化学转化膜的耐中性盐雾时间为8小时。
实施例4：
配置化学转化液组分A：氯化铈15g/L，表面活性剂十二烷基苯磺酸钠1g/L，活化剂氟化钠3g/L；组分B：高锰酸钾3g/L，次氮基三亚甲基三膦酸2g/L；使用时，将A和B两组分溶液以1:1的体积比配置，将经过预处理的压铸铝合金零部件浸泡在化学转化液中，在50℃下转化处理3分钟，然后去离子水清洗零部件，放入50℃度去离子水中封闭10分钟，最后烘干。测试压铸铝合金零部件所得化学转化膜的耐中性盐雾时间为15小时。
实施例5：
配置化学转化液组分A：硫酸铈15g/L，表面活性剂月桂酸1g/L，活化剂氟化钾3g/L；组分B：过硫酸铵3g/L，次氮基三亚甲基三膦酸2g/L；使用时，将A和B两组分溶液以1:1的体积比配置，将经过预处理的压铸铝合金零部件浸泡在化学转化液中，在80℃下转化处理3分钟，然后去离子水清洗零部件，放入100℃度去离子水中封闭10分钟，最后烘干。测试压铸铝合金零部件所得化学转化膜的耐中性盐雾时间为8小时。
Claims (2)
1.一种压铸铝合金零部件无铬环保化学转化处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
1.1压铸铝合金零部件表面预处理工艺：
首先，将压铸铝合金零部件经过喷砂处理，零件表面粗糙度控制在30-100μm；
其次，将喷砂后的压铸铝合金零部件通过机床加工成为产品；
然后，碱液除油剂超声波除去零部件表面机加工时的油污，碱液除油后用去离子水冲洗零部件；
最后，酸洗活化，去除表面的氧化膜，酸洗后用去离子水冲洗零部件；
1.2无铬环保化学转化处理液的配置：
本处理液由A、B两组分复合而成，所述的A组分是由稀土盐、表面活性剂和活化剂组成，所述的B组分是由氧化剂和成膜促进剂组成；化学转化溶液A组分中稀土盐含量为2-30g/L，表面活性剂为0.5-10g/L，活化剂为4-20g/L，化学转化溶液B组分中氧化剂含量为0.5-10g/L，成膜促进剂含量为2-6 g/L；
1.3压铸铝合金零部件化学转化处理工艺：将步骤1.2中A组分和B组分溶液以1:1的比例的配比使用，化学转化溶液的温度控制在50℃-80℃，时间3-15分钟，处理液的pH值1-3；然后将经过步骤1.1处理后的压铸铝合金零部件进行化学转处理；
1.4压铸铝合金零部件后处理工艺：将经过步骤1.3处理的压铸铝合金零部
件在80℃-100℃的去离子水中封闭5分钟-25分钟，然后烘干。
2.根据权利要求1所述的一种压铸铝合金零部件无铬环保化学转化处理方法，其特征在于，A组分中稀土盐选自氯化铈、硝酸铈和硫酸铈中的一种或两种，表面活性剂选自硬脂酸、月桂酸和十二烷基苯磺酸钠中的一种，活化剂为含氟离子盐；B组分中氧化剂选自高锰酸钾、双氧水、氯酸钾、过硫酸铵中一种或多种，成膜促进剂选自氯化锶、磷酸、单宁酸和次氮基三亚甲基三膦酸（ATMP）中一种或两种。
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