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赛德克新工艺:铝的非六价铬转化膜
 
慧聪网   2005年8月26日9时27分   信息来源:赛德克化工(杭州)有限公司    

铝的非六价铬转换层

作者:Mr.Nabil Zaki,赛德克国际公司全球技术行销总监 

近30年来,六价铬化合物的应用危害性一直是环境管理部门和各工业关注的焦点,并颁布了排放管理法令,其监控范围包括从镀液挥发的气载粒子到表面膜层的可溶残余。其中后者由针对汽车部件的欧盟汽车寿终指令定义并监控,并将于2006年中全力执行。金属表面处理技术早已发展出满足这些要求的工艺,如同之前用于锌及合金镀锌的非六价铬钝化工艺一样,这些新型膜层在性能方面均达到或超越了传统的六价铬膜层。 

但是在铝表面处理方面,运用相同的工艺却一直没能达到类似的要求。对于铝的转换层,必须具备以下两项基本性能: 

    1-裸露耐蚀性能,未喷涂表面或转换层涂层表面。

    2-转换层与漆层或其它涂层的良好的结合性能。 

产业的规格在可测量的条件上论及了以上特性,且以六价铬膜层的表现为要求标准,其中最为通用的是MIL 5541 和 MIL 81706 。 

过去10年来,业界一直在尝试开发出完全不含铬的化学处理膜层。有些具备良好的结合性能,但却没有一个无铬膜层可以在商业用途上满足所有铝合金对裸露耐蚀性能的要求,。尤其对2024-T3 和 2219-T87等富含铜的铝合金,更具挑战性。 

近日,一项由美国海军部所持专利的低浓度三价铬,完全无六价铬的新工艺,被验证为可替代传统六价铬工艺。相对于六价铬的致癌性,三价铬既无危害性,同时也被环境和职业卫生管理部门认定更具安全性。 

此新工艺由SurTec公司命名为SurTec 650 ChromitAL TCP并以此为注册商标在全球行销,使用方式有浸渍,喷淋或刷洗。该工艺可完全替代传统铬酸盐转换层。

下述数据图解阐明了此工艺最关键的几个特性,以及和传统六价铬、具商业应用性的无铬系统的性能对比数据。这些无铬系统包括锆酸盐、钛酸盐、高锰酸盐、硅烷和聚合体等工艺。 

    表1所示为膜层重量。三价铬工艺与黄色六价铬工艺所得膜层重量较相近。其它无铬工艺的膜层重量范围为10~20 mg/sq ft。

表1  不同工艺获得的膜层重量

 工艺

 膜层平均重量  毫克∕平方英寸

 六价铬工艺

 37.44

 锆酸盐-钛酸盐工艺

 14.71

 三价铬ChromitAL TCP工艺

 22.88

裸露耐蚀性能 

针对无漆或底漆等进一步涂层的化学转换层的耐蚀性,美国军方标准MIL 5541 E根据ASTM B-117测试标准对第一类膜层的盐雾试验要求是336小时。铝的耐蚀性取决于合金类型。基本上除非应用高防腐性能的化学转换膜,否则富含铜的铝合金将会因铜的微电流作用而降低其耐蚀性能。2024和2219是此类合金的两个例子,也是要面对的最大挑战。 

    表2和表3是对这两类合金应用不同的化学转换工艺后膜层的性能对比。以1-10为等级排列,10代表无腐蚀表面。在铝合金2219的试验中,我们最新的三价铬工艺显示了较传统六价铬工艺更优良的效果。5000、6000和7000系列合金也轻易通过了336小时的盐雾试验。 

表2  盐雾试验平均得分      Al 2024 T-3

 工艺

24小时 

48小时 

168小时 

336小时 

 六价铬工艺

10

10

10

10

 锆酸盐工艺

9

8

3

-

 高锰酸+封闭剂工艺

9

8

2

-

ChromitAL TCP工艺

10

10

10

10

表3    盐雾试验平均得分   Al 2219-T87

 工艺

24小时 

48小时 

168小时 

336小时 

 六价铬工艺

10

10

5.4

5

 锆酸盐工艺

0

-

-

-

 高锰酸+封闭剂工艺

9

8

0

-

ChromitAL TCP工艺

10

10

9

9

接触电阻性能 

出于不间断接触,接地和电势屏蔽等目的,电气和电子设备通常要求其处理过的表面具低电阻。传统六价铬钝化可以满足MIL 5541 第三类膜层的此项要求。为检测该性能,必须在刚钝化后和经过168小时中性盐雾试验后分别测量其接触电阻。如果有腐蚀发生,接触电阻将会超过其最大容许极限。 

虽然大部分无铬工艺的钝化表面也具有低接触电阻特性,但由于它们的低耐蚀性,在经过24-72小时的中性盐雾后均无法达到低电阻的要求。 

表4所示为使用MIL DTL 81706 (图 1)方法测试所得ChromitAL TCP工艺的接触电阻数据。在经过168小时盐雾试验后其电阻比六价铬的数值更低,使其成为符合MIL 5541 第三类应用理想的替代品。

图1  化学膜电阻测量仪器草图

图1  化学膜电阻测量仪器草图

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表4  接触电阻 6061-T6铝合金接触电阻测试数据

(毫欧∕平方英寸

 处理工艺

处理后 

168小时盐雾试验后 

 ChromitAL TCP工艺

 1.57

 3.19

 六价铬工艺

 1.48

 4.58

五片试片,每片测十点取平均值

涂层表面性能

    铝处理表面的一项重要应用就是涂覆底漆、漆或清漆。转换层的设计须提供与以上涂层的良好的结合性能,同时可以防止因擦伤或撞击损伤而在漆层下引发的蔓延性腐蚀。 

    鉴定非六价铬工艺的涂层性能有几个标准测试,在对不同合金试片应用转换膜和涂层处理后,表面做划线或交叉刻划,然后进行以下测试并评估: 

    干膜附着力测试

    湿膜附着力测试

    中性盐雾测试,3000小时

    二氧化硫酸雾测试,500小时

    GM 9540循环测试,120次循环

    纤维状腐蚀测试

    海洋暴露测试,4、8、12个月

    在所有以上测试中,ChromitAL TCP膜层达到或超越了六价铬膜层的性能指标。其中纤维腐蚀测试是对漆涂层最重要的一个评估参数。在该测试中,不同的合金试片,涂以不同的水解型或溶剂型的底漆和漆,在表面做X形刻划,然后测试如下:

    暴露于盐酸酸雾中1小时,然后暴露于湿度80%,温度40℃环境中1000小时。 

腐蚀会在漆层下X形划线区域以纤维形式不可见地扩展延伸,最终会撑破漆面,造成结合性的失败以及对基材的损害。为测量腐蚀范围,先用溶剂溶解试片半个表面的漆层,然后将一由60个方格组成的模板放置在暴露出来的X形腐蚀的每条边上,计算无纤维腐蚀的格数即可。以0-120为参数做性能评比。 

  图2所示为一腐蚀测试后所剥除试片,和模板测量法示意图。表5是各试片的性能对比数据。在2024-T3合金上,ChromitAL TCP的性能远远优于六价铬和其它无铬处理工艺。

图2  腐蚀测试后所剥除试片及模板测量法示意图

图2  腐蚀测试后所剥除试片及模板测量法示意图

表5  评比参数-含完整漆层的2024 T3铝材转换膜的纤维腐蚀   

(0-120等级模板方式)

 工艺

性能评比 

六价铬工艺 

 39.2

 锆酸盐工艺

 31.5

 硅氧烷/锆酸盐工艺

 18.5

 有机酸/溶剂工艺

 26.3

 有机硅烷/钛酸盐工艺

 29.3

 高锰酸盐+封闭剂工艺

 31.8

 吡咯烷酮/溶剂工艺

 23.7

 三价铬ChromitAL TCP工艺

 71.9

阳极氧化铝表面应用性能

新型的非六价铬转换工艺ChromitAL TCP也可以用做铝阳极氧化后的低温封闭剂,尤其适用于磷酸阳极氧化铝。图3和图4为不同的阳极氧化工艺使用此封闭剂后的性能展示。 

TCP封闭MIL-A-8625的IC和IIB类膜层效果

图3 TCP封闭MIL-A-8625的IC和IIB类膜层效果

图4  TCP封闭Al 2024磷酸阳极氧化膜效果

图4  TCP封闭Al 2024磷酸阳极氧化膜效果

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应用领域 

多功能的非六价铬工艺ChromitAL TCP,在所测试的包括高铜和高硅含量合金的试片上,既符合标准MIL-5541所要求的第一类膜层的裸露耐蚀性能,也符合第三类膜层所要求的低接触电阻性能,同时,它也可以提供具有优良结合性能的漆层底材,而且也可用做铝阳极氧化后的低温封闭剂。其它应用还包括电镀镉,锡-锌,锌-镍以及离子蒸镀铝的前处理。 

    其应用范围包括以下工业领域的铝表面处理:

    航空航天器、汽车轮毂、自行车结构件、电气和电子设备、波导设备、航海工业、建筑工业... 

    该工艺符合ELV, RoHS, WEEE法令,可在全球范围内行销及商业应用。

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