讓鋁合金閃閃發(fā)亮
——鋁合金表面形貌與結(jié)構(gòu)調(diào)控工藝條件優(yōu)化與性能測試

■北京市第三十五中學(xué)

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對材料表面的光滑度與平整度的要求越來越苛刻，這為表面化學(xué)拋光技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，也帶來了機遇。

如今，化學(xué)拋光技術(shù)在多種金屬加工、制備中有了很大的成就。其中，鋁合金的表面處理就需用到化學(xué)拋光，此工序能提升鋁合金的光反射能力與耐腐蝕性。由于鋁材料硬度低、質(zhì)軟，在加工時可能會有一些表面磨損，極大地影響了其外觀與耐腐蝕性。

機械拋光、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光是目前主要的三種拋光方法。機械拋光能獲得較平整的產(chǎn)品，但加工時的受熱與壓力會使金屬表面不夠光亮且耐腐蝕性低，無法達到生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。因此，在機械拋光后需進行化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光，以獲得表面光滑平整的優(yōu)質(zhì)膜層。

高精密的材料對表面的鏡面反射率與平整度的要求更高，需采用化學(xué)拋光或電化學(xué)拋光對其進行處理，使其符合質(zhì)量要求，同時也能應(yīng)用于一些不規(guī)則形狀材料的拋光處理。這兩種拋光方法既可以單獨使用，也可在機械拋光后進行表面光潔、平整度的進一步提升。

化學(xué)拋光不需要額外的機械設(shè)備，還能節(jié)省能源、便于操作、降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率。化學(xué)拋光不僅在鋁表面的處理中極為重要，在銅合金、鈦合金、鎳合金以及鋼鐵制品中同樣發(fā)揮著重要作用。

目前，鋁材料的拋光多以三酸溶液體系為主，效率很高。但該過程中存在釋放氮氧化物污染環(huán)境、成本較高、不便控制用量等問題。

一、研究目的

通過實驗，找到一種最優(yōu)的化學(xué)拋光方案，使其效率高、成本低、減少環(huán)境污染，并具備良好的拋光效果。

量取溶液

二、實驗材料

恒溫水浴鍋，天平，烘箱，量筒，燒杯。氫氧化鈉，硫酸，磷酸，鋁粉，檸檬酸，氯化銨，甘油，硫脲，2- 硫基苯并噻唑，十二烷基磺酸鈉，苯并三氨唑，聚乙二醇，鉬酸銨，乙二胺四乙酸，六次甲基四氨，過氧化氫，高錳酸鉀，過硫酸銨，硝酸銅。

三、拋光原理

通過將鋁材料加入濃酸中發(fā)生強烈的酸浸反應(yīng)，溶解除去表面物。其中某種成分發(fā)生氧化反應(yīng)，鋁表面鈍化形成一層氧化鋁，使此部分暫時受到保護。隨著氧化膜的不斷溶解與鈍化，凸面部分不斷被平整化直至與凹面處于同一平面，達到平整拋光效果。

四、實驗步驟

首先進行打磨。用水性砂紙依次打磨，直至光亮。用等離子水清洗鋁件表面后進行堿蝕（氫氧化鈉溶液對鋁件進行腐蝕作用）。用等離子水清洗鋁件表面后再用鹽酸酸洗，之后用等離子水清洗鋁件表面，用烘箱進行干燥。稱量鋁塊質(zhì)量m1，將鋁件放入拋光液，并將拋光液放入水浴鍋進行拋光。用等離子水清洗鋁件表面，出光。之后再用等離子水清洗鋁件表面后用烘箱烘干，稱量鋁塊質(zhì)量m2。

稱量藥品

五、實驗結(jié)果

1.酸的選擇及酸含量比例對拋光液拋光效果的影響

傳統(tǒng)化學(xué)拋光液中含有硝酸，拋光時會產(chǎn)生氮氧化物氣體，不僅影響人的健康，還會污染環(huán)境，所以我想改用雙酸（即磷酸、硫酸）。

通過查閱文獻得知，雙酸的含量比例決定了拋光溶液的效果。硫酸能使拋光更加平整化、均勻化，但過量會產(chǎn)生白色麻點，拋光效果不理想。而磷酸對實驗結(jié)果影響不大。綜合減少成本、污染及效率最大化的原則，拋光液選用65%的磷酸與30%的硫酸。

2.表面添加劑對拋光液拋光效果的影響

（1）不同表面添加劑對拋光液拋光效果的影響

一些有機化合物可在拋光液中起到表面活性劑、粘度調(diào)節(jié)劑、增溶劑、緩蝕劑或腐蝕劑的作用。表1 為通過控制單一變量的方法探究8 種不同有機添加劑對拋光效果的影響。

表1 不同表面添加劑對拋光液拋光效果的影響(時間：1min 溫度：85℃）

由表1 可知，硫脲作為拋光液中的有機添加劑時光澤度最高，可抑制點蝕、提高樣品表面反射率及光澤度，經(jīng)其拋光后的鋁件光澤度最高，失重率最低。故選用硫脲作為拋光液中的表面添加劑。

（2）硫脲（CH4N2S）的正交實驗

接下來通過一組正交實驗來確定硫脲在單位體積拋光液（20ml）中發(fā)揮最佳作用時的質(zhì)量。實驗結(jié)果見表2。

表2 單位體積拋光液中硫脲對拋光效果的影響

由表2 可知，硫脲在0.006g 時，鋁件光澤度最高，失重率最低。故單位體積拋光液中含0.006g 的硫脲效果最佳。

3.氧化劑對拋光液拋光效果的影響

表3 為通過控制單一變量的方法探究3種不同氧化劑對拋光效果的影響。

表3 不同氧化劑對拋光液拋光效果的影響

由表3 可以看出，過氧化氫做氧化劑時的效果最佳，高錳酸鉀次之。但過氧化氫加熱時易分解，會影響藥品使用效果，故選用高錳酸鉀作為拋光液中的氧化劑。

對高錳酸鉀進行3 組控制變量實驗，結(jié)果表明，單位體積拋光液中含0.16g 高錳酸鉀效果最佳。

4.鋁粉的正交實驗

實驗結(jié)果表明，鋁粉在0.01g 時鋁件光澤度最高，失重率較低。故單位體積拋光液中含0.01g 鋁粉效果最佳。

5.硝酸銅的正交實驗

改變硝酸銅的用量研究其對拋光效果的影響，實驗結(jié)果表明，硝酸銅在0.016g 時鋁件光澤度最高。故單位體積拋光液中含0.016g 硝酸銅效果最佳。

6.甘油的正交實驗

甘油可以防止酸霧產(chǎn)生，并與磷酸根離子生成配合物，起到緩蝕作用。實驗結(jié)果表明，甘油在0.016g 時鋁件光澤度最高，失重率最低，故單位體積拋光液中含0.016g 甘油效果最佳。

7.各工藝條件對拋光效果的影響

配制溶液

（1）時間

由實驗結(jié)果綜合分析可得，當(dāng)拋光時間在30s 至60s 時，鋁件表面光澤度逐漸升高，形貌更加均一；當(dāng)拋光時間在60s 至120s 時，鋁件表面光澤度逐漸降低，微觀結(jié)構(gòu)均一性也逐漸降低，且拋光時間為60s時的失重率為較低值。綜合考慮，60s 為適宜拋光時間。

（2）溫度

按照化學(xué)拋光工藝參數(shù)，控制拋光時間為60s，以不同拋光溫度做拋光實驗，得出拋光溫度對拋光后鋁件參數(shù)的影響，同時通過原子力顯微鏡（AFM）測試拋光后鋁件的表面形貌，以進一步確定最優(yōu)的拋光溫度。80℃、90℃、95℃所得AFM 圖像如圖1 至圖3 所示。

綜合所得，當(dāng)拋光溫度在80℃至85℃時，鋁件表面光澤度逐漸升高，失重率逐漸降低；當(dāng)拋光溫度在85℃至95℃時，鋁件表面光澤度逐漸降低，失重率逐漸升高。拋光溫度為85℃時，鋁件表面的微觀凸起清晰均勻，而其他溫度條件下得到的鋁件表面形貌顆粒較大。綜合考慮，85℃時為適宜拋光溫度。

圖1 拋光溫度為80 ℃時鋁件的表面形貌

圖2 拋光溫度為90 ℃時鋁件的表面形貌

圖3 拋光溫度為95℃時鋁件的表面形貌

六、結(jié)論

1.經(jīng)過一系列正交實驗，確定了鋁件拋光液最佳配方為（拋光液體積為20ml）13ml H3PO4，6ml H2SO4，0.006g CH4N2S，0.16g KMnO4，0.01g 鋁粉，0.016g Cu（NO3）2，0.016g 甘油。此配方能減少反應(yīng)污染，降低成本，且使反應(yīng)效率最大化。

2.經(jīng)過拋光時間和拋光溫度的兩組對比實驗，確定了拋光實驗的最佳工藝條件為：拋光時間為60s，拋光溫度為85℃。