Как алюминий, растворенный в ваннах слабого щелочного травления, влияет на поверхности, протравленные кислотой

Снижение концентрации алюминия на стадии слабого щелочного травления также может привести к таким проблемам, как избирательное травление.

На протяжении многих десятилетий алюминий и его сплавы широко применяются, главным образом, в авиационной промышленности, поскольку обеспечивают отличное соотношение массы конструкции к ее прочности, а также высокую коррозионную стойкость. Требования к отношению массы к прочности делают его весьма привлекательным для строительной отрасли, и все чаще алюминий используется в автомобильной промышленности, военной промышленности, судостроении, при производстве упаковки и много другого.

Однако алюминий нельзя использовать непосредственно после изготовления, поскольку из-за его амфотерности естественная оксидная пленка на поверхности алюминия подвержена коррозии в щелочных и/или кислых средах.

Поэтому сначала он должен пройти процесс поверхностной обработки, например, окраску, лакирование или анодирование. Среди этих процессов анодирование обеспечивает наиболее длительный срок службы поверхности и более высокую износоустойчивость, при этом сохраняя металлическую текстуру поверхности. Эти свойства особенно важны в строительной отрасли.

Однако в отличие от лакирования и окраски, анодирование имеет тенденцию усиливать любые дефекты на поверхности, возникающие на металлической подложке. В связи с более высоким химическим потенциалом эти дефекты преимущественно вытравливаются на стадии предварительной обработки и снова появляются на поверхности перед анодированием. Проблемы, связанные с подложкой, такие как рост зерна, сегрегация и полосы, возникают, главным образом, из-за некорректных технологических параметров (скорость экструдирования, форма штампа, скорость охлаждения и даже режим термообработки) на стадиях перед анодированием.

Потребность в большем количестве алюминиевых профилей с желаемыми эстетическими свойствами привела к необходимости замены традиционных процессов длительного щелочного травления, главной причины избирательного травления и неоднородного внешнего вида поверхности. Процессы кислотного травления были разработаны для получения ровных поверхностей и маскировки поверхностных дефектов, однако последующая стадия щелочной обработки (называемая «слабощелочной» стадией), необходимая для удаления остатков фторида алюминия с поверхности, также может привести к избирательному травлению и необходимости в повторной обработке поверхности из-за отсутствия растворенного алюминия, препятствующего агрессивному воздействию щелочи.

Увеличение количества растворенного алюминия было бы идеальным решением, оно имеет два главных недостатка: увеличение продолжительности процесса и повышение вязкости ванны. Хотя длительность процесса можно сократить путем повышения температуры, высокая вязкость может повлечь за собой множество других проблем, включая повышенный унос раствора, неравномерное травление, «тигровые полосы» и проблемы на стадии удаления травильного шлама.

Повышение спроса на алюминий соответствующим образом заставляет производителей увеличивать темпы производства и жертвовать некоторыми свойствами поверхности, необходимыми для анодирования. Профили с относительно низкими характеристиками нуждаются в большей маскировке, чем стандартные профили, поэтому изделия сложной формы и с повышенной скоростью истечения перед анодированием проходят обработку кислотным травлением.

Однако на данный момент даже маскирующие возможности кислотного травления могут не соответствовать требованиям стандартов из-за параметров процесса последующей слабощелочной обработки.

ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Два набора образцов были подготовлены и обработаны в слабощелочных ваннах с разными концентрациями растворенного алюминия при различных параметрах процесса. В первой серии испытаний исследовали влияние растворенного алюминия на поверхность алюминия; изменялось только количество растворенного алюминия, все остальные параметры кислотного травления и слабощелочной обработки оставались постоянными. Во второй серии испытаний поверхностный блеск образцов был скорректирован до относительно одинаковых значений для исследования влияния растворенного алюминия на маскирующие свойства процесса кислотного травления. Блеск регулировался посредством изменения продолжительности процесса в разных ваннах слабощелочной обработки с различным содержанием растворенного алюминия.

Сравнивая образцы второго набора с помощью РЭМ и 3D-профилирования, мы смогли получить оптимальные маскирующие свойства для сочетания процессов кислотного травления и слабощелочной обработки.

В исследовании использовались алюминиевые профили 6061. Химический состав алюминия исследовали с помощью оптической эмиссионной спектроскопии. Перед травлением образцы были обезжирены путем погружения в раствор Alumal Clean 115 (45 г/л). Травление первого набора образцов выполнялось при температуре 40°C в течение 4 минут в ванне кислотного травления с последующим слабощелочным травлением.

Для исследования влияния растворенного алюминия на морфологию поверхности были добавлены растворы с различным содержанием растворенного алюминия. Ванны щелочного травления содержали 60 г/л гидроксида натрия (NaOH), 35 г/л Alumal Etch LMA 235 и 10, 50 или 100 г/л растворенного алюминия. Травление продолжалось 2 минуты с последующей обработкой при 55°C (образцы A, B и C).

Образцы, которые были предварительно обработаны с использованием стандартных параметров щелочного и кислотного травления, использовались как контрольные образцы для сравнения (образцы D и E). Поверхностный блеск образцов измеряли с помощью блескомера Novo-Gloss Lite.

На втором этапе исследования новые образцы с одинаковым уровнем блеска были получены путем использования разных слабощелочных ванн с различными концентрациями растворенного алюминия. Блеск образцов регулировали, изменяя продолжительность процесса, чтобы обеспечить достоверное сравнение маскирующих свойств после выполнения аналогичного травления.

Морфологию поверхности образцов анализировали с помощью РЭМ/SEI (JEOL JSM_7000F), 3D-профилирования поверхности (WYKO NT1100 Veec) и блескомера.

РЕЗУЛЬТАТЫ

С помощью 3D-профилометрии были получены значения R и трехмерные схемы рельефа поверхности первого набора образцов (A-E). Результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 1.

Рисунок 1. Первый набор образцов в соответствии с техническими требованиями, приведенными в таблице 1.

Результаты показали, что увеличение количества растворенного алюминия на стадии слабощелочного травления позволяет получить поверхности с более низкой средней шероховатостью, но с более равномерно распределенными ямками, что обеспечивает более однородный внешний вид поверхности образцов B и C.

В отличие от контрольных образцов, они показали уникальное распределение этих ямок, в которых средняя шероховатость была близка к контрольному образцу E (контрольный образец после длительного щелочного травления), однако поверхностный блеск был ближе к образцу D (контрольный образец после кислотного травления), см. таблицу 3.

К тому же, недостаток растворенного алюминия в слабощелочной ванне для образца A привел к большему вытравливанию поверхности, чем у образцов B и C, и возвращению на поверхность дефектов и полос. Агрессивная среда слабощелочной ванны вследствие низкого содержания растворенного алюминия вызвала повышение скорости травления образца A. Из-за этого произошло снижение маскирующих свойств кислотного травления, что привело к возвращению дефектов на поверхность образца.

Разница в содержании растворенного алюминия на стадии слабощелочной обработки образцов B и C обеспечила небольшое отличие в блеске, при этом образец C был более шероховатым и менее блестящим из-за ингибирующего действия растворенного алюминия в процессе травления. Можно было предположить, что увеличение количества алюминия на стадии слабощелочной обработки препятствовало глубокому щелочному травлению поверхности, что улучшило маскирующие способности кислотного травления. Кроме того, повышенное содержание растворенного алюминия способствовало воздействию щелочи на острые участки вокруг ямок, обеспечивая таким образом выравнивание поверхности и однородный внешний вид.

Рисунок 2. Первый набор образцов: (a) образец A, 100X; (b) образец A, 500X; (c) образец B, 100X; (d) образец B, 500X; (e) образец C, 100X; (f) образец C, 500X; (g) образец D, 100X; (h) образец D, 500X; (i) ) образец E, 100X; и (j) образец E, 500X.

На рисунке 2 представлены результаты исследования РЭМ для первого набора образцов. Эти результаты соответствуют данным 3D-профилирования, согласно которым текстура поверхности образцов B и C подобна текстуре образца D (контрольный образец после кислотного травления): ямки с острыми краями распределены по поверхности. Поверхность образца A подобна поверхности образца E (контрольный образец после длительного щелочного травления), имеет ямки щелочного травления с гладкими краями и интерметаллическими включениями, снова появившимися из алюминиевой матрицы. Абразивное воздействие на стадии щелочного травления на образцы A и E привело к тому, что границы зерен стали заметными из-за избирательного травления, что негативно повлияло на однородность покрытия.

В таблице 4 приведены значения поверхностного блеска, полученные путем изменения продолжительности процесса на стадии слабощелочной обработки, для образцов A, B и C. Эти данные говорят об ингибирующем действии растворенного алюминия. Те же значения блеска были получены для образца A3 с низким содержанием алюминия через 1 минуту и для образца C4 с высоким содержанием алюминия через 3,5 минуты.

Образцы A3, B и C4 были выбраны для дальнейшего исследования, поскольку их значения поверхностного блеска соответствовали требованиям.

Рисунок 3. Второй набор образцов; все образцы предварительно обработаны в ванне кислотного травления при температуре 40°C в течение 4 минут с последующей обработкой в слабощелочной ванне, содержащей 60 г/л NaOH, и (a) образец A3 с 100 г/л растворенного Al при 40°C в течение 12 минут и 10 г/л растворенного Al в течение 1 минуты при 55°C; (b) образец B, 50 г/л растворенного Al при 40°C в течение 2 минут при 55°C; и (c) образец C4, 100 г/л растворенного Al в течение 3,5 минут при 55°C.

В таблице 5 и на рисунке 3 представлены результаты 3D-профилирования, а также значения показателя шероховатости, которые указывают на аналогичную топологию поверхности. Основное различие в результатах проявилось между образцами A и C; образец A демонстрирует более острые пики из-за меньшей продолжительности слабощелочного травления, что негативно повлияло на однородную топологию поверхности. Образец C демонстрирует наибольшую шероховатость и наибольшую разницу между высшими и низшими точками в связи с большей продолжительностью слабощелочного травления, что привело к повторному появлению поверхностных дефектов и ограниченному маскирующему действию процесса кислотного травления.

Рисунок 4. Макроизображения образцов A3, B и C4.

На рисунке 4 представлены макроизображения образцов A3, B и C4; полосы располагаются с левой стороны профилей. Образец B демонстрирует максимальное маскирующее действие, в то время как на образце A3 дефекты наиболее заметны.

Рисунок 5. SEI/РЭМ-изображения второго набора образцов, предварительно обработанных в ванне кислотного травления с последующей обработкой в слабощелочной ванне.

На рисунке 5 представлены РЭМ-изображения образцов A3, B и C4, показывающие морфологию поверхности после кислотного и слабощелочного травления.  Результаты показывают, что образцы B и C4 проявляют сходство в форме и распределении пор, которые обладают более гладкими краями и меньшим количеством интерметаллических включений.

С другой стороны, образец A3 демонстрирует ямки с более острыми краями, а интерметаллические включения по-прежнему заметны, что обусловлено сокращением продолжительности слабощелочной обработки. Анализируя эти данные в совокупности с результатами для первого набора образцов и рисунком 4, можно с уверенностью сказать, что количество растворенного алюминия в слабощелочной ванне оказывает решающее влияние на окончательную морфологию поверхности.

Для достижения максимального маскирующего действия в процессе кислотного травления необходимо тщательно регулировать концентрацию алюминия в слабощелочной ванне, поскольку недостаток растворенного алюминия может привести к перетравлению и повторному появлению дефектов на поверхности, а избыток растворенного алюминия может привести к неравномерному травлению в результате увеличенного времени обработки.

ВЫВОДЫ

Результаты приведенных экспериментов показали, что снижение концентрации алюминия на стадии слабощелочной обработки могут также привести к таким проблемам, как избирательное травление, вызывающее повторное появление поверхностных дефектов или перетравление, что дает неоднородный внешний вид поверхности.

С другой стороны, концентрация растворенного алюминия в слабощелочной ванне может усилить положительное действие кислотного травления в части маскировки дефектов, возникающих на исходном материале.

Данные показали, что при концентрации выше 50 г/л благотворное воздействие растворенного алюминия также начинает снижаться вследствие увеличенного времени обработки в слабощелочной ванне.

Кроме того, при полномасштабном производстве повышение концентрации алюминия в ванне также приведет к увеличению вязкости раствора, что будет препятствовать другому положительному воздействию кислотного травления, а именно снижению количества остатков травителя на деталях сложной формы.

Месут Аккая, Пинар Афсин, Мустафа Урген и Кэн Акил, Компания POLITEKNIK METAL SAN. TIC. A.S., COVENTYA

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

Порошковое покрытие делает пластмассы проводящими
Порошковое покрытие делает пластмассы проводящими
Новая проводящая грунтовка UR1967 от компании FreiLacke делает обработанные поверхности проводящими и придает особую пигментацию,…
01.11.2022
52
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
Открыта регистрация на выставку ExpoCoating Moscow
25-27 октября 2022 года в МВЦ «Крокус Экспо» пройдет ключевая выставка материалов и оборудования для…
15.06.2022
1527
Повышение чистоты экструзионных матриц с помощью Claris 9346 MB
Повышение чистоты экструзионных матриц с помощью Claris 9346 MB
Инновационный продукт, который сокращает затраты и время на очистку экструзионных матриц.
Клаудио Бурато
03.11.2022
51