如何處理保護和裝飾鋁的表面？

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）和比強度（強度與密度之比），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勝于鋼鐵，但是通常鋁總是經(jīng)過表面處理手段，形成一層表面處理膜層，賦予鋁更好的保護性，裝飾性，及其他需要的功能后才使用的。陽極氧化處理是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，請見表3。各種表面處理膜層的性能各具特點，根據(jù)使用環(huán)境和運轉(zhuǎn)條件，選擇使用。

各類鋁表面處理膜層的特點
2.1 陽極氧化膜
陽極氧化處理是鋁合金材料經(jīng)常采用的表面處理手段。保護和裝飾用鋁陽極氧化膜一般是10μｍ以上的多孔型陽極氧化膜，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的，多孔層的厚度取決于陽極氧化通過的電量。陽極氧化膜可以通過有機染色或無機著色，也可以通過電解著色得到各種色彩。為了穩(wěn)定和延長陽極氧化膜的保護性，必須進行封孔，包括各具性能特點的高溫封孔(沸水或高溫蒸汽)、中溫封孔和常溫封孔等，我國高溫封孔目前很少。陽極氧化膜是在鋁表面共格生長的一層氧化膜，附著性*,可以有效保護鋁基體不受腐蝕,氧化膜的硬度明顯高于鋁,普通陽極氧化膜的顯微硬度為~300Hv，硬質(zhì)陽極氧化膜可達~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。但是不能象普通陽極氧化膜那樣著色，而且能耗很高，除非特殊需要通常不會采用微弧氧化。前蘇聯(lián)規(guī)定出海艦船的鋁合金部件需要進行微弧氧化處理。為了降低電能消耗，發(fā)展了無火化微弧氧化，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 陽極氧化復(fù)合膜（簡稱復(fù)合膜）
復(fù)合膜包括陽極氧化膜和電泳涂漆膜兩層，通常兼具陽極氧化膜和有機聚合物膜（一般采用丙烯酸樹脂）的雙重優(yōu)點。其硬度高、耐磨性好、耐腐蝕性強，漆膜附著性好，不僅具備表面有機化合物膜優(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。其工藝特點不僅可以相當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極氧化膜上的所有位置。
2.4 有機聚合物噴涂膜（含輥涂膜）
建筑和裝飾用鋁及鋁合金有機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單。為了保證有機聚合物膜對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鋁及鋁合金制品進行鉻酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜很?。ㄓ袝r也采用陽極氧化膜做底層），而表面的有機聚合物膜比較厚(一般高于60μｍ)。鑒于六價鉻離子對于環(huán)境的巨大危害，因而逐漸在減少其工業(yè)應(yīng)用。無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理包括鋯鈦系處理、有機硅烷等，但是目前的無鉻化學(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
電鍍是一項比較傳統(tǒng)的表面處理工藝，化學(xué)鍍也有相當長的工業(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)實踐。但是鋁合金上金屬鍍層遠比鋼或銅商困難，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，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，對于使用狀態(tài)和條件作出全面判斷。在選擇有機聚合物膜時，還應(yīng)該特別考慮大氣的紫外線輻照強度的影響。
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，在國內(nèi)外相關(guān)標準中對環(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極氧化膜和有機聚合物膜層，性能及檢測方法選擇指南
陽極氧化膜、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，紫外光輻射是一個重要的影響因素，在選擇膜層時應(yīng)加以考慮。對于銀白色陽極氧化膜來說，紫外光輻射對其無明顯影響，而對于染色陽極氧化膜和其他有機聚合物涂層，紫外光輻射有不同程度的影響，在紫外光輻射強烈的區(qū)域，建議選擇銀白陽極氧化膜、高耐候等級的復(fù)合膜、高耐候等級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（如陽極氧化膜的著色和封孔等），有機涂層的樹脂品質(zhì)等?，F(xiàn)簡介鋁合金主要膜層，即陽極氧化膜，復(fù)合膜和噴涂膜在工業(yè)城市大氣，海洋大氣中或鄉(xiāng)村大氣中的選擇說明。
3.2.1工業(yè)和城市環(huán)境
（1）陽極氧化膜
陽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)境也會加速其性能衰退。因此，工業(yè)和城市污染嚴重且溫差較大的潮濕環(huán)境應(yīng)選擇高膜厚級別的陽極氧化膜，對于工業(yè)和城市污染嚴重且溫差較大的干燥環(huán)境宜選擇高膜厚級別的熱封孔陽極氧化膜。
（2）復(fù)合膜
復(fù)合膜由于鋁陽極氧化膜的存在，金屬基體不易受到機械損傷，且不容易產(chǎn)生膜下絲狀腐蝕。其表面也是有機聚合物膜，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)和城市污染嚴重的環(huán)境宜選擇高質(zhì)量等級的陽極氧化復(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，污染嚴重的工業(yè)區(qū)域損害更為突出。長時間處于濕熱的環(huán)境下會加速水和有害離子對有機膜的滲透。機械損傷也會加速膜層在工業(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)和城市污染較為嚴重的潮濕熱帶環(huán)境，宜選擇高質(zhì)量等級噴涂膜，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）陽極氧化膜
在沒有酸性污染的環(huán)境條件下，陽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)宜選擇高膜厚級別的陽極氧化膜。
（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械損傷，也不容易產(chǎn)生膜下絲狀腐蝕，而且有表面有機聚合物的保護，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。長時間處于濕熱環(huán)境，并存在其他離子會提高膜層的滲透性，機械損傷更會加速氯離子對基材的侵蝕。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。但是對于溫差大且干燥的鄉(xiāng)村環(huán)境，不推薦高膜厚等級的中溫或常溫封孔的陽極氧化膜，對于紫外輻射強的鄉(xiāng)村環(huán)境宜選用銀白陽極氧化膜、電解著色陽極氧化膜、高耐候復(fù)合膜、高耐候粉末噴涂膜或氟碳漆噴涂膜，不建議選用染色陽極氧化膜和普通有機聚合物膜。

4鋁合金表面處理膜層的性能和監(jiān)測方法
鋁合金表面處理膜層的性能檢測方法，已經(jīng)有明確，專業(yè)，完整的標準和中國標準可循，而且還有行業(yè)內(nèi)部或企業(yè)內(nèi)部的檢測標準，如美國建筑制造商協(xié)會AAMA標準，福特汽車公司的監(jiān)測方法等。由于檢測內(nèi)容具體繁雜，本報告簡單介紹鋁表面處理的產(chǎn)品和性能檢測的標準（見附錄），詳情請參閱本人的專著：“鋁合金表面處理膜層性能及測試。