铝材及铝制品的电解抛光处理(2) (铝的抛光处理系列文章之七) 吕萍英
(东北轻合金加工厂工学院 黑龙江省哈尔滨市 150060)
摘要：阐述了碳酸钠磷酸钠溶液电解抛光法(布赖塔法)的溶液成分、处理工艺参数、产品的应用、产品缺陷及其产生原因等等。该法是最老的铝材电解抛光工艺之一，至今仍在应用，特别适合处理高纯铝及用高纯铝配制的Al Mg与Al Mg Si合金。槽液中的氯离子应严加控制，含氯较多时，处理的材料会产生点腐蚀。全面地阐述了其他碱性溶液电解抛光法。 关键词：碳酸钠碳酸钠溶液电解抛光法 布赖塔法 高纯铝 反射率 高纯铝基合金 点腐蚀
3 工业电解抛光处理工艺
目前，工业上应用的电解抛光方法很多，但主要的工艺是：高氯酸醋酸法(P.A.杰克奎特法,JaCguet)；硫酸磷酸法(巴特尔法,Battele)；浓磷酸法(中山孝廉法Ⅰ)；振动电解法(中山孝廉法Ⅱ)；硼氟酸法(阿扎克法,Alzak)；碳酸钠磷酸钠法(布赖塔法,Brytal)；硫酸溶液法；碱性溶液法即田岛法；等等。
1933年,R.B.梅森(Mason)提出在硼酸、氟酸溶液中电解抛光铝。1934年，阿扎克法问世。日本的中山于
1935年发表了磷酸溶液电解抛光工艺(中山法Ⅰ)，尔后又提出振动电解抛光法(中山法Ⅱ)。中国的科技工作者薛宽宏、洪九德等研究开发出了铝及铝合金的一些无铬电解抛光工艺〔22〕。
3.1 碳酸钠磷酸钠溶液抛光法
碳酸钠磷酸钠溶液电解抛光法(Brytal)是一种最先提出的电解抛光工艺，于1936年在英国问世，是至今唯一的仍在工业生产中保持应用的碱性电解液抛光法,“Brytal”是英国铝业公司(British Aluminium Company)对此法的注册商标名称，保持至今。此法特别适合于抛光高纯铝(99199%)，在许多国家得到了应用，但自1955年以后，由于采用9918%Al制的Al Mg 合金可在磷酸溶液中获得良好的化学抛光，以及不锈钢槽在抛光生产方面的推广应用，其应用范围在缩小。原型布赖特法之所以现在还在有效地被应用着，是因为在处理大面积的镜面材料或工件时，还没有另一种高效的处理法可取代它，也没有其他抛光法的处理质量优于它。
3.1.1 处理工艺
普勒(N.D.Pullen)于1936年首次对Bry2 tal法溶液成分与处理工艺作了阐述，至今仍无多少更改，见表23。哈里斯(P.G.Harris)对槽液成分与操作条件对抛光质量的影响作了精心的研究，其结论如图20所示。他的工作显示，最佳的槽液成分为20%碳酸钠与6%磷酸钠，而不是原先的相应含量15%与5%。哈格(H. Hug)推荐的成分为30%碳酸钠、615%磷酸钠〔27〕。
应精心配制槽液，碳酸钠与磷酸钠应是纯
的，采用蒸馏水或去离子水，温度85～90℃，第
一天的工作温度低些，最好是80℃，磷酸钠含量须严格控制，以4%左右为宜。
表
23
Brytal 电解抛光液成分与处理工艺
工作范围最佳值无水碳酸钠，重量%
12～2015磷酸钠，重量%215～7155温度,℃75～9080～82电压,V
耳垫7～16
9～12
图20 在碳酸钠磷酸钠溶液中电解
抛光高纯铝的处理条件
N ———原先的标准抛光成分;X ———改进的抛光成
分;A ———出现白边与条纹斑痕;B ———白膜区;C ———抛光良好区;D ———20℃时的溶解极限线;E ———腐蚀区;F ———显现晶粒区;G ———钝化膜区
处理时工件应夹紧，重要的处理表面应尽可能地排列成与垂直方向呈15°，并朝下倾斜。槽液应静止不动，在工件浸入之前，需停止加热与搅拌。在工件浸蚀30～60s 后，接通电源，将电压调到预定值，电源可为直流发电机或6相整流器，但电压波动范围应小于5%。此时的初始冲击电流密度为315～5A/dm 2或更高些，时间约4s ，然后立即将电流密度降至冲击值的∀
−左右，于是阳极停止冒气，抛光开始。实践证明，采用移动阳极是有益的，也就是说使工件振动、转动等，速度以10～20r/min 为宜，振幅最好为20～30cm 。不过，在这种情况下，工作电压需升高约6V ，电流密度也应提高，以加速处理过程。处理电流密度与电压见表24。
工件在电解抛光之前应经过机械抛光处理，同时，最好是在机械抛光后的10～15min 内
进行碳酸钠磷酸钠溶液电解抛光，抛光时间一般为30～40min 。
表24
电解抛光处理的电流密度与电压
金 属电流密度,A/dm 2电压,V
开始最终稳定阳极移动阳极
高纯铝 3161161218～209918%Al 4102101218～20高纯铝基合金
510
210
1520～22
抛光处理槽结构如图21所示，阴极置于槽的两端，远离工件，隔板位于槽液水平之下，以减少对流作用。空气搅拌管与蒸汽加热管圈离槽底10～20cm ，以免搅起沉淀物。沉淀物会引起种种不良后果，应及时除去，如可能，应尽量连续地过滤槽液。碳酸钠磷酸钠抛光槽液沉淀在100℃干燥后的成分如下(%):
SiO 2210
Al 2O 3
2317 CaO 019 Na 2O 2510 P 2O 5
2613在1000℃燃烧损失221110010 CO 2
118
一年4000L 的抛光槽产生的沉淀物约为
50kg/d 。
图21 碳酸钠磷酸钠溶液抛光槽纵断面示意图
1———阴极;2———低碳钢槽;3———隔板;4———木
制外壳;5———空气管;6—蒸汽加热管;7———排泄管
抛光作用是工件上一层厚约015
μm 氧化膜的形成与复杂的磷酸粘液层的存在共同作用的结果。抛光后这层氧化膜仍存在，但通常用
肉眼看不见。在阳极氧化处理前应去掉此膜，可用沸腾7%磷酸/4%铬酸溶液脱除。3.1.2 槽液管理与缺陷
在抛光生产中,
除了产品带出的槽液外，槽液的碳酸盐成分是不会改变的，因此，主要工作是定期添加磷酸钠，以保持其浓度为415%～615%，并补充蒸发的水。水的蒸发量相当大，在槽液表面放置一些塑料膜罩或塑料板可大幅度降低水的蒸发。溶液中的主要有害杂质是氯，当其含量超过011%时，可引起严重的点腐蚀。图22示出了处理试样的点腐蚀程度与氯含量的关系(英国铝业公司的试验结果)。
在碳酸钠磷酸钠溶液中抛光时，可产生的缺陷如表25所列。
图22 在碳酸钠磷酸钠溶液中抛光处理时氯引起的点腐蚀
1———无氯;2———011%Cl ;3———012%Cl ，下表
面;4———012%Cl ，上表面;5———013%Cl ，下表面;6———013%Cl ，上表面。
高纯铝(99199%)与用高纯铝、镁、硅配制
的光亮Al Mg 合金、Al Mg Si 合金诸如英国的B TR1、B TR2、B TR6合金经Byrtal 法抛光处理后，可获得很好的抛光表面，即使在阳极氧
化膜厚达20
μm 或更厚时，仍具有满意的反射率。3.1.3 反射率
铝经碳酸钠磷酸钠溶液处理后总反射率(BS1615方法P )与镜面反射率(BS1615方法Q )列于表14。由所列数据可见，镜面反射率不但与氧化膜的厚度有关，而且与铝的纯度有很大的关系。当铝的纯度不到9918%时，经此工艺处理后的工件甚至反射不出任何目的物。
碳酸钠磷酸钠溶液抛光
表13
处理常见的缺陷与产生原因
缺 陷 名 称产 生 原 因
黯淡无光
1.磷酸含量低
2.电压或电流密度低
槽沟表面明亮耀眼电压与电流密度太高黯的氧化物斑点抛光时发生“灼伤”现象全面或局部腐蚀
1.初始侵蚀时间过长
油田水处理2.阳极接触不良
3.装料过多
4.铝的纯度太低轮廓线：光亮但不均匀
1.装料过多
2.预处理前的脱膜或侵蚀不充分
3.处理电压不稳
白或褐条纹：阳极氧化处理后才出现 1.电解液或工件运动过度2.阴极或邻近物上有气体流
3.从槽中取出工件时氧化膜发生腐蚀
极细的擦伤
抛光轮上松动的纤维划出的细纹表面有带尾巴的气泡印痕
粘附气泡众多的气泡印痕 1.电解液浓度低2.沉淀物聚积
上表面有许多微点蚀坑或疙瘩细小的沉淀物聚积
深的点蚀坑
1.槽含量过多
2.工件表面上的残脂含有氯化物
经Byrtal 工艺抛光处理与阳极表14
氧化处理后的反射率(%)
去腐生肌膏阳极氧化膜厚,μm
0251020总反射率:99199%Al
9918%Al 90
909089898889878884镜面反射率:99199%Al 9918%Al
9088
8768
8763
8658
8447
碳酸钠磷酸钠溶液抛光法已在工业界广泛用于处理高级凹形器皿、反光镜、反热器、装饰工艺品、钮扣与按钮、徽章(带浸染仿金或黄铜)、汽车装饰件及其他的装饰物件。处理后工件对整个可见光谱与红外线都有很高的镜面反射率(图23)；图24示出了几种材料的镜面反射率与温度的关系，由图可见，温度低于500℃时，高纯铝的反射率几乎与温度无关，而
其他材料的反射率则随着温度的升高而明显下降；纯度大于或等于9918%的高纯铝在抛光处理后对工业大气有很强的抗蚀性，试验是在恶劣的条件下进行的，试样被置于工厂的房顶上，排出的气体有相当强的腐蚀性，见图25。
高纯铝经碳酸钠磷酸钠溶液电解抛光法处理后对大气有很强的抗蚀性，可广泛用于制造在工业气氛与海洋气候条件下使用的装饰件
图23 电解抛光与机械抛光的高纯铝(991
99%)、
银、铬的镜面反射率与光波长度的关系
1———银;2———电解抛光的高纯铝;3———机械抛
光的高纯铝;4———铬;5———可见光
图24 几种材料的镜面反射率与
温度的关系
1———在碳酸钠磷酸钠溶液中抛光的99199%
Al ;2———镀Rh 的;3———在碳酸钠磷酸钠溶液中抛光的99195%Al ;4———不锈钢
图25 在工业气氛大气中的暴露时间
对抛光材料反射率的影响
1———在碳酸钠磷酸钠溶液中抛光的99199%
Al ;2———经碳酸钠磷酸钠溶液法电解抛光处理的9918%Al ;3———不锈钢;4———铑板;5———银板;6———铬板;7———镍板
硅料回收
与非受力结构件，近期在激光设备中得到了可
靠的应用，以制造反射器腔，而用镀银材料时,
使用寿命极短，用电解抛光高纯铝制造反射腔不但经长期使用后未变黯，而且经清洗后完好如初，未发生任何损伤。3.1.4 其他的碱性溶液电解抛光法
除了上述的碳酸钠磷酸钠溶液电解抛光工艺外，在电解抛光发展过程中，还出现了一些其他的碱性溶液抛光法，并在生产中获得了一定程度的应用，大都取得了专利，其较著名的列于表15。
表15 其他的碱性溶液电解抛光工艺
工 艺 名 称
溶液成份
抛光工艺参数S.Tajima 法，适
用>9916%Al
与不含Cu 、Ni 、
Fe 的铝合金
氢氧化钾215g ，氢氧
化钠114～5g ，乳酷素
0102g ，水50ml
温度80℃，电压30～
70V ，电流密度100～300A/dm 2
Alais 、Froges 法
(英国专利521290)
接近最高浓度的氢氧化钠溶液或硫酸钠溶液
温度30℃
稀溶液(2%)并加入一种接近最大浓度的碱金属盐(如硫酸钠)
约60℃
A G MA 公司法，瑞士专利256850，适用于高纯度铝与铝合金典型的电解液成分：碳酸钠20%，氟硅酸钠7%，磷酸钠2%
温度85℃，电压13V ，电流密度2A/dm 2
Socie ′te ′de Produits Chim 2iques des Terres Rares 法，英国专利655699氢氧化铝100g ，将10g
铝溶解于氢氧化钠溶液中，磷酸50g ，加水至1L
温度80℃，电压12V ，电流密度6A/dm 2
L.Prigoniker 法，英国专利655514
100g/L ，硫氰酸钠15g/L ，白明胶6g/L
温度50～100℃，电压15V ，电流密度20～30A/dm 2
日本K.Takada 法，适用于低纯度铝与硬铝氢氧化钠3%，硅酸钠10%，六水偏磷酸盐5%
温度40℃，电压20V ，电流密度20A/dm 2
H.Burkhardt 法，德国专利1212816自封袋设备
碱金属氢氧化物、锌与碱金属碳酸盐5%～35%，锌：碱金属氢氧化物为1∶2-红薯粉生产设备
美国专利3232
855(日本Ky 2owa Hakko K o 2gyo 公司法)碱金属葡萄糖011mol/kg ，碱金属氢氧化物≥117mol/kg 电流密度3～100A/dm 2
日本Shokosha 公司法，专利号JAJ8076093
磷酸钠15～300g/L ，氢氧化钾或氢氧化镁1～30g/L ，少量有机酸
温度30～60℃，电流密度1～30A/dm 2
(待续)
收稿日期:1995-12-05
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