铝硅合金制品螺旋振动抛光工艺及抛光剂的开发

铝硅合金制品螺旋振动抛光 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 及抛光剂的开发 华中科技大学 硕士学位论文铝硅合金制品螺旋振动抛光工艺及抛光剂的开发 姓 名:彭莉华 申请学位级别:硕士 专业: 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 加工工程 指导教师:李远才 20060501 摘 要 抛光是铝及其合金表面处理中的一个重要工序，通过抛光可以获得光洁平整 的表面，提高制品的装饰效果。由于对化学抛光的抛光机理的研究比较成熟及其对 铝的抛光效果显著而被广泛应用，但对于高硅铝合金，采用化学抛光后，由于表面 产生的硅灰，不易得到令人满意的效果。普通的机械抛光由于效率低下，且只能抛 光平坦表面，使其应用受到极大限制。因而有必要寻求一种适合于高硅铝合金的抛 光工艺，来满足市场需求。为此，本文首次较全面系统地研究铝硅合金制品的螺旋 振动抛光工艺，并开发了铝硅合金螺旋振动抛光用抛光剂及抛光数据库系统。其主 要结果如下: 在螺旋振动抛光前，采用硝酸和氢氟酸的混合酸对铝硅合金制品进行 酸洗，是增强抛光效果的不可或缺的工序，其硝酸和氢氟酸最佳配比为 2?1。 研 究了螺旋振动抛光工艺及设备参数，运用正交法对铝硅合金制品螺旋振动抛光的主 要工艺参数进行了优化。 选用并复配了包括非离子型与阴离子型表面活性剂在内的 多种表面活性剂，确定了抛光剂中表面活性剂、助剂和水的组成，并对各组分的作 用进行了详细分析。所研制的三种抛光剂 APG-1、APG-2、APG-3，在铝硅合金的 抛光中均取得了良好的抛光效果。 运用 X 射线衍射对抛光后制品表面进行了物相 分析，初步探讨了铝硅合金螺旋振动抛光的机理。 抛光数据库系统具有数据库安全 管理、信息查询、信息维护等功能。关键词:铝硅合金 酸洗 螺旋振动抛光 抛光剂 I Abstract Polishing is an important procedure in 表面活性剂 抛光工艺 数据库 surface treatment of Al amp Al alloy. Afterpolishing more smoothness and brightness surface of the product could be obtained andits decoration effect could be improved. Chemical polishing is used widely because of itsmature polishing mechanism and good effect. However it couldn’t get satisfied result ofAl alloy with high quantity Si. Because it will have Silicon gray on product surface afterpolishing. Efficiency of mechanical polishing is very low and it is usually used to polishplat surface which limited its application. Thus it is essential to look for a kind ofpolishing style fit for Al alloy with high quantity Si which can satisfied market needs. Sowe full studied the spiral vibration polishing of Al-Si alloy product also developedpolishing agent for spiral vibration polishing and some conclusion are list as following: It’s essential to add blended acid wash procedure before the spiral vibration polishing.The blended acid is nitric acid and hydrofluoric acid and the optimal mix ratio is 2:1. Studied equipment and processing parameters of spiral vibration polishing. Adoptedorthogonal design to optimize the main processing parameters. Developed polishing agent for spiral vibration polishing and polishing agent iscomposed of surfactant acid agent and water. Analyze effect of each Chose and matched several kinds of surfactant including nonionic surfactant andnegative ion surfactant. Make sure that polishing agent is composed of surfactant acidagent and water and make a detail analysis of each ingredient. All developed polishingagent APG-1 APG-2 APG-3 have good polishing effect. Primarily discussing the mechanism of Al-Si alloy spiral vibration polishing alsoanalyzing ingredient of surface after polishing using X-Ray Diffract The function of polishing database system is safety management query andmodification of information.keywords: Al-Si alloy Acid wash Spiral vibration polishing Polishing agent SurfactantPolishing process Database II 独创性声明 本人声 明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密?。(请在以上方框内打―?‖) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 1 绪 论1.1 金属表面处理与抛光技术 金属表面处理技术，是指采用物理或化学方法，对金属表面进行加工，以便达到改善金属表面的物理或化学性质的目的1。制品的表面处理有很多方法及手段，如电镀、化学处理、表面抛光等等。而表面抛光处理则是其中常用的方法。它不仅使用于某些表面处理工艺的前期，而且也用于经其它方法表面处理的制品的后期抛光。因此，抛光处理在制品的表面处理中有着极为重要的作用。由于涉及面广，使用范围大，所以它几乎在轻工部门的多数固体制品的处理上，同时在机械、仪表、造船、汽车及其它国民经济工业部门中都有着极为广泛的用途，是一种既普通而又重要，既价廉且又必须的加工工艺，理应引起人们的普遍关注。 抛光技术，是制造平坦而且加工变形层很小，没有擦痕的平面加工工艺。抛光不仅增加工件的美观而且能改善材料的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。抛光既可以作为零件的最终工序，也可作为镀膜前的表面预处理。抛光的质量对工件的使用性能有着直接的影响，选择合适的抛光方法和抛光工序是提高产品质量的重要手段。 纯铝具有重量轻、延展性好、易加工、耐腐蚀等优点，但是机械性能却较差。有的铝合金机械强度虽高，却有耐腐蚀性差，耐磨性低，装饰性不佳等缺点。因此实际应用过程中必须进行表面处理，改善其表面状态。 在经过铸造、机械加工的铝及铝合金制件表面往往有一层灰色氧化膜或毛刺，从而影响产品的质量。因此为了提高铝及铝合金制件光亮度，往往需要进行抛光处理。铝及其合金的表面抛光可以作为一种表面加工的终结处理，也可以作为阳极氧化，电镀前的预处理过程。1.2 国内外铝合金抛光的研究概况 铝合金具有良好的理化性能和优异的表面处理功能，在航空、国防、仪器仪表、机械、交通、通讯、化工、建筑、日用五金以及高科技领域应用极其广泛。目前全 1世界铝的消耗量大约以每年 5的速度增长，年产量仅次于钢铁，居有色金属之首。 由于铝质地较软，硬度低，因此在加工成型过程中容易受到机械损伤，造成? 邸?ニ鸬缺砻嫒毕荨,庑?毕莸拇嬖诓唤鲇跋毂砻嫫秸 院捅砻婀饬炼龋 褂跋炱浠 榷ㄐ裕 绕浔砻嫒毕荽θ菀追? 础, 讼 庸す 讨械恼庑?砻嫒毕荩 ǔ,捎没 蹬坠狻? 坠饣虻缁 坠獾姆椒ǎ 佣 竦昧己玫?a name=baidusnap0>表面光洁度。1.2.1 化学抛光 化学抛光最早是由日本的木村、副岛等人在1949年提出的2。化学抛光设备简单，节省电源，效率高，成本低，免除了制件装挂的繁琐步骤，更不受制件形状和尺寸的限制，特别是对尺寸小或形状复杂的零件不能进行其它形式抛光时，采用化学抛光能取得均匀光亮的表面，充分显示出化学抛光的优越性。经过长期的研究和实践，铝及铝合金的化学抛光发展很快，化学抛光可以分为酸性抛光和碱性抛光。其发展现状如表1,1所示。 表1-1 铝合金化学抛光配方及工艺条件配方及工艺 传统三酸抛光3 酸性无黄烟抛光3 酸型抛光5 酸性抛光3 碱性抛光4 Al，A1–Mg合 金及其低 适应金属 铝及铝合金 ZL105 高硅合金 铝及铝合金 硅合金 磷酸 70,80, 70 77(5 - - 硝酸 10,15, - 6 60,65 ml/L - 硫酸 10,15, 28 15(5 - - 硼酸 - - 0.5 - - 氢氟酸 - - - 15,20 ml/L - 甘油 - - - 1 ml/L - 添加剂 - 2 - - - NaOH - - - - 400,500 g,L NaNO3 - - - - 300,350 g,L KF2H2O - - - - 30,50 g,L Na3P04 - - - - 20,30 g,L 温度/? 90,120 90,120 100 室温 110,120 时间 10,20 s - l,4 min 1,2 min 20,50 s 21)传统的酸性抛光体系 常见的酸性抛光液有磷酸—硝酸，磷酸—硫酸—硝酸等体系6。磷酸具有较高的粘度，它的主要作用是较缓慢和有选择地溶解铝合金表面组织的微观凸起部分的铝和氧化铝，生成粘性液膜，附着在制件表面，这层粘性液膜对于整平和抛光表面起着十分重要的作用7。因而，在抛光液中磷酸的浓度应当较高。硫酸有选择地溶解材料表面的铝和氧化铝，能提高铝表面抛光液的活性，加快抛光速度，适量的硫酸又具有增光作用。硝酸起到局部钝化的作用，防止铝合金表面侵蚀严重。同时还发现酸性抛光液的工艺条件，温度、时间是两个不容忽视的因素。抛光效果随温度的上升而提高89。 三酸抛光对高纯铝、工业纯铝、铝镁合金Al-Mg 系合金)、铝镁硅Al-Mg-Si系合金)建筑型材的效果较好，而含锌、铜元素的铝合金Al-Mg-Zn 系合金、Al-Mg-Cu系合金)三酸抛光效果较差，对于高硅铝合金来说则完全不适合三酸化学抛光。要求 Zn?8,，Cu?5,，Si?1,。2)酸性无黄烟抛光 自上世纪70年代以来，国内外对铝的无黄烟化学抛光进行了大量研究1011，以便取代传统的―三酸‖体系。这类抛光液是保留磷酸、硫酸作为基础液，以组和添加剂替代硝酸。组台添加剂的增光作用往往是几种物质的联台作用。它是由有机化合物，无机化合物，重金属盐及其表面活性剂组成。有机化合物起吸附、加速粘性液膜形成的作用。无机化合物起促进表面钝化，加速凸起部分溶解的作用。表面活性剂可润湿表面，加快气体在表面的脱附，减少麻点抑制酸雾12。3)碱性抛光 为了消除黄烟的污染，除采用―磷酸–硫酸–组台添加剂‖抛光体系外，还可利用碱性抛光体系。碱性化学抛光是利用铝及铝合金件在碱性溶液中的选择性自溶解作用来整平和抛光制件表面，以提高其表面光洁度的化学方法。碱性抛光有其独特的优点:成本低对槽体设备的腐蚀小，特别是废水处理相对简单。但碱对铝有更强的溶解能力，所以采用碱性抛光工艺，铝件的损失较酸性的更多，同时碱性抛光工艺控制更加困难往往只有几十秒，不适合大型铝型材的工业抛光生产;其次碱性溶 3液抛光后的表面光亮度不大，抛光质量也低于酸性抛光液抛光后的质量，因而其应用受到限制13。4)高硅铝合金的化学抛光 高硅铝合金中，由于硅的存在使金属组织不均匀，再加上铸造中的缺陷，使这类铸铝合金的表面处理存在较大困难14。如对 ZL105 铝压铸件的化学抛光，经抛光处理过的工件，表面平滑、无毛刺，但有一层黑色的浮灰，用含有氟化物的酸性溶液进行去灰处理，可得到均匀一致的灰色表面。在这类抛光中多用氢氟酸、甘油等。用化学抛光方式抛光高硅铝合金不易得到令人满意的效果15。1.2.2 电化学抛光 电化学抛光是一种用电解液及直流电源的金属表面处理方法。与电镀类似，所不同的是电化学抛光被加工件作为阳极，与电镀正好相反。电解槽通电后，在被抛光的金属表面形成一层钝化膜，金属离子通过这层膜扩散，表面上的显微宏观)凸点及粗糙处的高点和毛刺区的电流密度比表面其他部分大，并以较快的速度溶解，从而达到整平和去毛刺的目的16。 铝及铝合金的传统电化学抛光液?嘈臀 姿?硫酸-铬酸型。由于该体系抛光液均含有较高的铬酸，抛光后产生的含铬废水难以处理，有资料表明，在铝合金的电解抛光 液中加入磷酸为基的螯合剂，可以使抛光液具有高的抛光性。近年来，对铝及铝合金的电解抛光液进行了一系列的研究和实验17。采用不含铬酸的配方，从根本上解决了含铬废水的问题。洪九德等研究草酸，酒石酸，柠檬酸等来替代铬酸。通过实践，发现以上几种物质均能提高电化学抛光速度，并且在不通电的情况下也能在铝及铝合金表面形成一层钝化膜。防止金属腐蚀效果最好的是草酸，其次是酒石酸和柠檬酸。由于电解抛光液均是强酸性，可以选择醇类做缓蚀剂，因为醇类含有羟基，有利于 PH 值的提高。薛涛等研究了由磷酸、氢氟酸、硫酸、硝酸、甘油、表面活性剂、缓蚀剂组成的电解液，配合适当的工艺条件，筛选出了合适铝硅合金电化学抛光的工艺配方18。 国外在这方面做了很多的研究，其典型的配方为:硝酸钠?5;磨料粒子含氧 4化锆10g/L;水少量。在电解过程中最好用抛光布抛光铝或者铝合金能得到粗糙度?0.1 微米的高度光滑的镜面。有资料显示在以硫酸磷酸为基，加入乙二醇，磷酸钠，磷酸三丁酯可以得到很好的抛光效果。其中磷酸主要是起着溶解铝及其氧化物的作用;硫酸起着溶解铝，及加速抛光的作用;磷酸钠可以减缓新配电化学抛光液的酸度，降低新配溶液对铝件的腐蚀，稳定电化学抛光液的性能。乙二醇能适当的冲稀酸度;磷酸三丁酯能减少溶液表面泡沫的作用。 电化学抛光不仅适用于纯铝及一般的铝合金，而且对于铸铝合金亦有良好的抛光效果，所以他具有化学抛光和机械抛光所不可以替代的作用。电化学抛光虽然效果好，但成本高，受电力的影响比较大，而且电化学抛光装置复杂需大量特殊夹具所以适用范围有限19。 机械抛光是靠切削或者使材料表面产生塑性变形去掉被加工表面的1.2.3 机械抛光 凸部而得到平滑面。机械抛光虽然可以除去铝表面油污，氧化皮及毛刺等，但是对形状复杂的零件难以抛光，而且经过机械抛光的铝制品易发生晶界腐蚀和腐蚀破裂20。 由于随着经济的发展和科技的进步，人们也对产品的实用性、内在质量及表面装饰性的要求越来越高，各生产厂商想方设法提高零件的内在质量和表面装饰质量。近几年来，机械抛光的设备有了长足的发展。 目前抛光工艺有手工抛光、自动抛光、半自动抛光、滚筒抛光、振动机器抛光、旋转筒体抛光、喷砂及手工研磨等21。而旋转、振动技术能使制品表面达到光整及光饰的一种新的抛光工艺，抛光加工成为异军突起，从而将表面处理引向一个新的层次。 在工业发达国家的光饰技术领域中，振动光饰机及旋转离心式光饰机被广泛采用，约占整个光饰加工领域 80,，光饰效果高，已得到各国表面处理专家的认可。我国应尽快普及并推广应用这种流动抛磨新工艺。1.2.3.1 振动光饰机 振动光饰机械是利用力学原理，采用各种磨料颗粒，使被光饰零件与磨料相互 5挤压、滑擦和刻划，使之达到去除毛刺、提高零件表面质量的机械22。 水平放置的容器在受外力撞击时将发生振动，其内置的物品也将随之振动产生跳跃撞击。当施力方向从下而上斜向施加冲击力时，容器内的物品将相互冲击、跳动、翻滚 从而对工件进行光饰加工。 振动光饰机在提高零件表面装饰质量的同时，亦可提高零件的内在品质23。磨料颗粒在与零件滑擦碰撞的过程中，可去掉零件机械加工中产生的机械裂纹，消除机加工应力，使表面产生加工硬化层，从而提高了零件的使用寿命。 利用此原理工作的光饰机械有立式螺旋振动光饰机、立式直边振动光饰机、卧式振动光饰机。工件在此类光饰机中加工受力较小 磨粒冲击离散、柔和。 普通磨削是靠砂轮与工件的相对运动来完成的，本质是工件材料受到砂轮磨粒的挤压产生阿尔贝层流动的塑变形，通过磨削力，改善了磨削状态，提高了磨削技术水平，一般只能对加工件逐个进行加工，对于工件的各不同加工部件， 亦只能按部就班地进行加工。在设备上普通磨削一般以大功率电机带动工件或砂轮回转，使砂轮转动进行加工。因此流动研磨与普通研磨是有本质区别，其作用原理也完全不同。 在对振动式抛光光整加工的原理进行了简单分析之后，我们总结振动式抛光光整加工有以下特点: 1 加工效率高。加工过程中，磨料对工件的按磨作用在整个加工循环时间内是连续不断进行的，因此其加工效率较高，与回转式抛光机相比，其效率要高几倍乃至数十倍。 2 应用广泛。这种加工方法不仅可加工黑色金属件、有色金属件，而且还可以加工塑料件、陶瓷件等非金属件。具有内孔或隐蔽表面的大中型形状复杂的壳体零件，以及其它易变形件。 3 加工质量好。这种加工方法不但可以去除毛刺，还可以去除氧化皮、实现棱边倒圆及表面抛光。加工均匀一致，有效减小表面粗糙度值 l 一 2 级。振动抛光加工后的零件，其表面显微硬度有所提高，还可消除零件内应力，这样疲劳强度有一定提高，一般可提高 10,左右。 6 4 设备结构简单，操作方便，容易实现多机床管理和加工自动化。 振动抛磨机理这种流动抛磨技术是以装饰为中心的表面技术。它是为适应汽车、飞机等工业需要而发展起来的，具有适应性强、耐蚀性高的表面光整及光饰工艺。1.2.3.2 螺旋振动光饰机的特点 螺旋振动抛光具有高频率的振动，采用较先进的螺旋翻滚流动、三元次振动的原理，使工作物与磨料、研磨剂等密切均匀混合，呈螺旋涡流状滚动，以研磨切削或抛光工作物表面，从而提高零件表面光洁度和光亮度24。尤其是那些易受变形或外形复杂，孔内死角之工作物使用本机研磨均能得到均匀之质量，加工过程不破坏零件的原有尺寸、形状。能实现自动化、无人化作业，操作方便，在加工运转中可随时抽验，节省时间，提高质量。选料区设有转换开闸门、过滤网等可把磨物与被研磨物分离，易于选料，操作简单。1.2.3.3 螺旋振动抛光光饰的适用典型零件 螺旋振动光饰机主要适用于金属、有色金属和非金属制成的各种零件的去毛刺、去锈、倒圆和光亮抛光，特别适用于腔形复杂零件的表面的光整加工。 螺旋振动光饰机主要应用行业有:自行车、铝压铸件、锌压铸件、家具五金、服装五金、箱包五金件、眼镜配件、钟表配件、锁、电子配件、各类首饰、珠宝及粉末冶金、树脂等;针对于不锈钢、铁、铜、锌、铝、镁合金等材质经冲压、压铸、铸造、锻造后的制品和针对于线材、陶瓷、玉石、珊瑚、合成树脂、塑料、瓷器等材质物品的表面处理。1.3 抛光数据库系统 随着信息社会的到来，信息量不断的扩大，信息的储存和查询采用原始的方法已经不能适应社会环境的发展。为了解决这个问题，在各界都广泛的应用数据库理论，运用可视性和面向对象的程序 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方法，开发具有 WINDOWS 界面支持的数据库管理系统。.