铝材碱蚀、酸蚀、抛光、整平光亮工艺综述—

铝材表面前处理工艺是表面处理的关健环节，直接决定了铝材的外观质量，不同的历史阶段，生产厂家选用了碱蚀、酸蚀、抛光以及新近推出的整平光亮工艺。这些工艺各有长短、互有优劣，本文尝试从工作机理到铝材质量等不同的角度对上述工艺进行讨论。
　　一、碱蚀工艺：在铝材工业化生产过程中，碱蚀工艺是最古老、最传统的前处理工艺。碱蚀的目的是除油、去氧化膜、去机械纹和起砂。早期的碱蚀工艺采用了碱回收方案(Bayer法)，铝离子超过28g/l时，生成Al(OH)3沉淀，用离心方法回收。由于铝离子浓度受到限制，这种方法只能除油和去氧化膜，生产平光型材，不能去机械纹和起砂。大约在上世纪90年代初，我国一些科研人员，对碱蚀方案进行了系统研究，大胆采用了铝离子的络合技术，使碱槽的铝离子浓度能够达到100g/l以上。按照粘性理论，铝材在碱溶液中的反应速度与铝离子浓度成反比，即铝离子浓度高，反应速度慢。由于机械纹沟底处反应生成的铝离子比沟表面的铝离子扩散速度慢，故沟底铝离子浓度高于沟表面铝离子浓度。因而，沟表面反应速度快于沟底的反应速度，从而实现了除去机械的目的。与此同时，铝表面以合金相为阴极，邻近铝晶粒为阳极，形成局部微电池反应，晶界处铝颗粒不断溶解，合金相表面镁、硅不断还原，形成砂粒。由此可见，较高的铝离子浓度和较长的碱蚀时间是去机械纹和起砂的必要条件。
　　二、酸蚀工艺：酸蚀工艺是针对铝材去机械纹和起砂而专门设计的，是碱蚀工艺的重大改进。从反应机理看，酸蚀完全抛开了粘性理论。由于氟化铝的溶解度有限，酸蚀槽中铝离子浓度小于5g/l。如此低的铝离子浓度，不足以影响机械纹沟底和沟表面的反应速度。那么，酸蚀为什么会有如此强的去机械纹能力呢？答案很简单，物理吸附。由于氟化铝溶解度非常低，铝材进入酸蚀槽后，表面迅速吸附一层反应产物——氟化铝。沟表面在氢气泡的作用下，吸附层较薄，且容易脱落，对反应速度影响有限；恰恰相反，整个沟槽的狭窄区域内，能迅速填满氟化铝，使槽液与沟底几乎完全隔离，反应速度降低到极限，沟表面的反应速度远大于沟底的反应速度，因而能够迅速去除机械纹；随着机械纹的去除铝材表面逐渐形成钝化层，并且在钝化层表面吸附了一层AlF3，使得反应速度迅速递减，铝耗大大降低。由于铝是两性氧化物，酸蚀起砂机理类似于碱蚀，所不同的是由于氟的存在，酸蚀起砂速度要快于碱蚀。
　　三、抛光工艺：抛光工艺也属于较传统的铝材前处理工艺，其目的是增加型材的表面光泽。在所有的抛光工艺中，溶解与氧化是其核心的反应机理。溶解成份(如磷酸)的存在，在反应初始阶段，使型材表面的自然氧化膜被迅速溶解，为氧化剂生成钝化膜铺平道路；强氧化剂(如硝酸、过氧化物、过硫化物等)的存在，使铝材在高温下形成一层非常亮的钝化表面。然而，抛光槽的铝离子浓度有限，机械纹沟底与沟表面的反应速度差不大，因此抛光槽的去机械纹能力较弱。
　　四、整平光亮工艺：整平光亮工艺是近两年来研究出的新型前处理工艺，其设计思想是增加型材表面光亮度、去除机械纹和起砂。以粘性理论为基础，参照碱蚀工艺，研究人员成功地设计出高温、强酸条件下，对铝离子进行络合并使其稳定的方案，提高整平光亮槽铝离子浓度，从而调整沟底与沟表面的反应速度差，提高去机械纹能力。以物理吸附原理为基础，参照酸蚀工艺去机械纹的基本原理，在整平光亮液中设计有一定的有机物，能吸附于机械纹沟底，使沟底与整平光亮槽液隔离，有效提高了去机械纹的速度。受碱蚀和酸蚀起砂机理的启发，整平光亮工艺引进了高效的起砂成份，其工作原理类似于酸蚀。以抛光溶解与氧化理论为基础，整平光亮工艺专门设计了溶解成份和光亮成份，使型材表面的光亮度接近于镜面。为了克服流痕问题，整平光亮工艺专门设计了能克服流痕的成份，使之能充分滴流。
　　五、四种前处理工艺的比较：
　　1、型材外观质量：碱蚀材比酸蚀材亮，比抛光暗。平光碱蚀不能去机械纹，不能起砂；磨砂碱蚀，既能去机械纹，也能起砂。酸蚀能根除机械纹，起砂均匀、细腻，但型材发暗，在上述四种前处理工艺中，酸蚀材最暗。抛光材表面最亮，但有机械纹，影响了整体质量。整平光亮材亮度接近于抛光，比碱蚀亮得多，同时能够完全除去机械纹并起砂。整平光亮继承了抛光的亮度、酸蚀的表面平整度和细砂，是抛光和酸蚀两种技术的结合，克服两种工艺各自的缺点。
　　2、工艺成本：碱蚀平光料成本较低，磨砂料由于碱蚀时间长(10-15分钟)，铝耗高(40-50kg/T)，总成本在1000元/T左右。酸蚀起砂快，去机械纹能力强(约3-5分钟)，铝耗低(5-8kg)，总成本450元/T左右。抛光形成镜面的时间较快(3-5分钟)，铝耗低(约5kg/T)，但型材离开槽液后，易形成流痕，不能滴流，迅速水洗，造成大量的药剂浪费，总成本为1300元/T左右。整平光亮去机械纹和起砂能力类似于酸蚀(3-5分钟)，铝耗类似于抛光(5kg/T)，总成本为1200元/T左右。
　　3、环保：碱蚀主要涉及废水处理，无毒无害。酸蚀废气的主要成份是HF，剧毒，废水中氟离子浓度有限，废渣为AlF3，可回收。抛光废气的主要成份为NOX，剧毒，废水处理成本较大。整平光亮无废气、废渣，废水可用碱蚀的废液中和。
　　六、讨论：
　　本文中我们详细研究了碱蚀、酸蚀、抛光以及整平光亮工艺，这些工艺代表着氧化型材前处理工艺的主流。尽管酸蚀在很大程度上已取代了碱蚀，但从反应机理来看，两种工艺有本质的区别，酸蚀工艺不是碱蚀工艺的镜相对称体。整平光亮工艺以粘性理论为基础，沿用了碱蚀的对铝离子进行络合的思想，是严格意义上的酸蚀；无论是从槽液黑色外观到铝离子的处理方式，以及工作机理等诸方面比较，两者完全对称，颇具学术价值，希望同行参与讨论。

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2009-01-05

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