TW201410924A - 閥門用鋁合金零部件表面處理方法 - Google Patents

Abstract

本發明之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，包括：1)熱處理：對閥門用鋁合金零部件採用T6熱處理；2)振動研磨處理：對熱處理後的閥門用鋁合金零部件的表面進行振動研磨，並進行超聲波清洗、沖洗及乾燥；3)化學拋光處理：採用由磷酸、硫酸和硝酸組成的拋光液對閥門用鋁合金零部件的表面進行拋光；4)硬質陽極氧化處理：採用含硫酸的氧化液對閥門用鋁合金零部件進行硬質陽極氧化處理。藉此，閥門用鋁合金零部件表面形成覆蓋完整的硬質陽極氧化層，提高絕緣性能及耐腐蝕性能，避免肇因於電位差的局部腐蝕，延長閥門使用壽命、拓展鋁合金的應用領域。

Description

閥門用鋁合金零部件表面處理方法

本發明係有關於一種表面處理方法，尤指一種閥門用鋁合金零部件表面處理方法。

含鉛黃銅具有優良的加工性能，應用領域非常廣泛，包括機械工程中的各種連接件、閥門、閥杆軸承等。含鉛黃銅中的鉛含量一般為1%至4.5%，可顯著改善材料的切削性能。但是鉛對人體和環境有危害，尤其是對人體血液和神經系統會造成血鉛、腦鉛中毒、神經受阻、智力遲鈍、癡呆、好動等不良後果，這些危害都是不可逆轉的。因此鉛對人體和環境的危害已引起世界各國的廣泛關注，國內外相關的限制或減少鉛的應用的法令法規也相繼頒布。特別是作為美國環保產業先鋒的加利福尼亞州(State of California)政府於2006年9月20日通過了一項管道類產品法令California Assembly Bill 1953(即AB 1953)，該法令將於2014年在全美生效實施。該法令要求一切為居民提供飲用水或烹飪用水的設備，包括水管、閥門、水龍頭等產品都必須達到新的無鉛化標準。另外，日本也頒布了規定，要求飲用水中的鉛含量必須小於0.03mg/L。含鉛黃銅應用在供水給水系統的各類閥件及其他配件中的另一個弊端是含鉛黃銅普遍存在脫鋅問題。因此，含鉛黃銅在管道工程 中的應用面臨嚴峻挑戰，此外隨著近年來銅價攀升及銅資源短缺問題的出現，尋找鉛黃銅的替代材料已是勢在必行。

鋁合金具有比重輕、導電性好、傳熱快、比強度高等優點，廣泛應用於航空航太、軍工、汽車、船舶等領域，如運載火箭燃料箱、飛機機身、跑車引擎、汽車輪圈等，足以證明鋁合金更適於應用在高科技產品。強度高、比重輕是其特性，且世界鋁資源豐富，因此鋁合金是替代銅製品，尤其是供水給水系統的各類銅合金的理想材料。但是鋁合金也有其缺點，如不易焊接，另外鋁是一種較活潑的金屬，具有低的電極電位，與電位較高的金屬接觸後易產生電位差導致局部腐蝕，使表面生成氧化膜，但這種自然形成的氧化膜疏鬆多孔、不均勻、不連續，不能滿足使用要求，鋁合金的這些不足一定程度上限制了以鋁代銅的實現。實現以鋁代銅的關鍵在於鋁合金表面處理方法的突破。硬質陽極氧化是一種可以在鋁合金表面形成緻密的氧化層的處理方法，可以提高鋁合金的硬度和絕緣性能，進而提高耐腐蝕性能。硬質陽極氧化是以鋁合金為陽極置於電解質溶液中，利用電解作用，使鋁合金表面形成氧化鋁薄膜的過程。

為了解決上述現有技術之缺點，本發明之主要目的是提供一種閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其包括以下步驟：1)熱處理：對閥門用鋁合金零部件採用T6熱處理，其中固溶處理溫度為510至570℃、時間為2至8小時，人 工時效(artificial aging)溫度為170至190℃、時間為4至10小時；2)振動研磨處理：對熱處理後的閥門用鋁合金零部件的表面進行振動研磨，時間為0.5至2小時，振動研磨後進行超聲波清洗，然後沖洗並乾燥；3)化學拋光處理：採用由磷酸、硫酸和硝酸組成的拋光液對閥門用鋁合金零部件的表面進行拋光，拋光時間為40至180秒，拋光液溫度為95至105℃；以及4)硬質陽極氧化處理：採用含硫酸的氧化液對閥門用鋁合金零部件進行硬質陽極氧化處理，使閥門用鋁合金零部件的表面形成硬質陽極氧化層，硬質陽極氧化時間為60至100分鐘，電壓為10至25V，溫度為-5至5℃。

較佳的，在步驟3)中，其中以該拋光液之總重量為基準，所述的磷酸的濃度為70至80重量百分比(wt%)，所述的硫酸的濃度為15至25wt%，所述的硝酸的濃度為1至10wt%。

較佳的，在步驟4)中，其中以氧化液之總體積為基準，所述的硫酸的濃度為200至280克/升(g/L)。

較佳的，在步驟4)中，所述的硬質陽極氧化層的厚度為5至30微米(μm)。

較佳的，在步驟4)中，所述的硬質陽極氧化層的厚度為15至25μm。

較佳的，該閥門用鋁合金零部件表面處理方法還包括染色處理，其係將硬質陽極氧化處理後的閥門用鋁合金零部件的表面染成需要的顏色，染色時間為15至25 秒，溫度為30至50℃。

較佳的，該閥門用鋁合金零部件表面處理方法還包括封孔處理，其係對染色處理後的閥門用鋁合金零部件表面的孔隙採用一封閉劑進行填封，該封閉劑係包含水以及一封閉粉，其中以該封閉粉之總重量為基準，該封閉粉的組成為：醋酸鎳為70至80wt%、絡合劑為15至25wt%、表面活性劑為2至8wt%，封閉時間為5至15分鐘，封閉劑溫度為70至100℃。

依據本發明，本發明所述之封閉劑中封閉粉的濃度，以該封閉劑的總體積為基準，其係例如，但不限於為5 g/L至12 g/L之間。較佳的，該封閉粉的濃度係為5 g/L。

較佳的，對於與管道通過螺紋連接的閥門用鋁合金零部件，該閥門用鋁合金零部件表面處理方法還包括後處理步驟，所述的後處理步驟包括在該閥門用鋁合金零部件的螺紋的表面形成一絕緣漆層。

較佳的，所述的閥門用鋁合金零部件的螺紋為內螺紋。

較佳的，所述的絕緣漆層由醇酸樹脂組成。

與現有技術相比，本發明的優點在於：採用本發明的閥門用鋁合金零部件表面處理方法後，閥門用鋁合金零部件表面形成覆蓋完整的硬質陽極氧化層，絕緣性能提高，進而耐腐蝕性能顯著提高，避免電位差導致的局部腐蝕的產生，閥門的使用壽命大為延長，拓展了鋁合金的應用領域。

圖1為本發明實施例1中經硬質陽極氧化處理的鋁合金試樣的極化曲線。

圖2為本發明實施例2中經硬質陽極氧化處理的鋁合金試樣的極化曲線。

圖3為未經硬質陽極氧化處理的比較例鋁合金試樣的極化曲線。

以下結合實施例對本發明作進一步詳細描述。

作為比較，將未經硬質陽極氧化處理的閥門用鋁合金零部件作為比較例。根據國標GB/T 16475-2008《變形鋁及鋁合金狀態代號》，代號“T6”指的是“固溶熱處理後進行人工時效的狀態”，為使記載簡潔，本發明中統一以“T6”表示。為方便實驗及資料的收集，實施例及比較例中的取樣均為圓盤狀鋁合金試樣。

實施例1

1)熱處理：對閥門用鋁合金零部件採用T6熱處理，其中固溶處理溫度為530℃、時間為8小時，人工時效溫度為190℃、時間為8小時；2)振動研磨處理：對熱處理後的閥門用鋁合金零部件的表面進行振動研磨，時間為1小時，振動研磨後進行超聲波清洗，然後沖洗並乾燥；3)化學拋光處理：採用由濃度為75wt%的磷酸、20wt%的硫酸和5wt%的硝酸組成的拋光液進行拋光，拋光時間為180秒，拋光液溫度為105℃； 4)硬質陽極氧化處理：採用含210 g/L硫酸的氧化液對閥門用鋁合金零部件進行硬質陽極氧化處理，使閥門用鋁合金零部件的表面形成5 μm厚的硬質陽極氧化層，硬質陽極氧化時間為50分鐘，電壓為10至23 V，溫度為-5至5℃；5)染色處理．將硬質陽極氧化處理後的閥門用鋁合金零部件的表面染成需要的顏色，染色時間為20秒，溫度為50℃；6)封孔處理：採用封孔處理對染色處理後的閥門用鋁合金零部件表面的孔隙進行填封，封孔處理採用的封閉劑係包含水以及一封閉粉，該封閉粉的組成為：以該封閉粉之總重量為基準，醋酸鎳為78wt%、絡合劑為18wt%、表面活性劑為4wt%，且以該封閉劑的總體積為基準，封閉粉的濃度為5 g/L，封閉時間為5分鐘，封閉劑溫度為90℃，即得到本發明實施例1的鋁合金試樣。

實施例2

1)熱處理：對閥門用鋁合金零部件採用T6熱處理，其中固溶處理溫度為570℃、時間為3小時，人工時效溫度為170℃、時間為6小時；2)振動研磨處理：對熱處理後的閥門用鋁合金零部件的表面進行振動研磨，時間為1.5小時，振動研磨後進行超聲波清洗，然後沖洗並乾燥；3)化學拋光處理：採用由濃度為70wt%的磷酸、20wt%的硫酸和10wt%的硝酸組成的拋光液進行拋光，拋光時間為40秒，拋光液溫度為98℃； 4)硬質陽極氧化處理：採用含260 g/L硫酸的氧化液對閥門用鋁合金零部件進行硬質陽極氧化處理，使閥門用鋁合金零部件的表面形成20 μm厚的硬質陽極氧化層，硬質陽極氧化時間為60分鐘，電壓為10至25 V，溫度為-5至5℃；5)染色處理：將硬質陽極氧化處理後的閥門用鋁合金零部件的表面染成需要的顏色，染色時間為25秒，溫度為40℃；6)封孔處理：採用封孔處理對染色處理後的閥門用鋁合金零部件表面的孔隙進行填封，封孔處理採用的封閉劑係包含水以及一封閉粉，該封閉粉的組成為：以該封閉粉之總重量為基準，醋酸鎳為75wt%、絡合劑為20wt%、表面活性劑為5wt%，且以該封閉劑的總體積為基準，封閉粉的濃度為5 g/L，封閉時間為10分鐘，封閉劑溫度為80℃，即得到本發明實施例2的鋁合金試樣。

比較例

1)熱處理：對閥門用鋁合金零部件採用T6熱處理，其中固溶處理溫度為530℃、時間為3小時，人工時效溫度為170℃、時間為9小時；2)振動研磨處理：對閥門用鋁合金零部件進行振動研磨，時間為1小時；3)化學拋光處理：採用由濃度為75wt%的磷酸、20wt%的硫酸和5wt%的硝酸組成的拋光液進行拋光，拋光時間為180秒，拋光液溫度為105℃，即得到本發明比較例的鋁合金試樣。

將得到的圓盤狀的實施例1、實施例2和比較例的鋁合金試樣分別嵌入到聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene，PTEE)固定器，在普通的三電極電解槽中進行電化學極化實驗，各試樣的暴露面積均為1平方公分(cm²)。實驗開始前，先將試樣在電解質溶液中浸泡一段時間直至開路電位達到穩定值。使用了兩種電解質進行實驗：3.5wt%的氯化鈉(NaCl)溶液和1.0wt%的次氯酸鈉(NaClO)溶液。分別採用銀/氯化銀電極和鉑電極作為參考電極和輔助電極。採用型號為Solartron 1287的恆電位儀掃描釋放直流動電位(potentiodynamic)，掃描速度為1毫伏/秒(mV/sec)，初始電位為-0.5伏特(V)，終末電位為+0.75V。實驗結束後，藉由電腦程式採用塔弗外插法(Tafel extrapolation)計算腐蝕電位和腐蝕電流密度，結果見表1。本發明實施例1中經過硬質陽極氧化處理的鋁合金試樣的極化曲線如圖1所示，本發明實施例2中經硬質陽極氧化處理的鋁合金試樣的極化曲線如圖2所示，比較例中鋁合金試樣的極化曲線如圖3所示。

從表1可見，對於未經硬質陽極氧化處理的比較例鋁合金試樣，採用1.0wt%的NaClO溶液(相當於10000ppm的消毒水)為電解質時，腐蝕電流密度為1.23×10^-6 A/cm²，腐蝕速率為14.4μm/年；採用3.5wt%的NaCl溶液為電解質時，腐蝕電流密度為2.73×10^-6 A/cm²，腐蝕速率為29.7μm/年。腐蝕速率為14.4μm/年，意味著未經硬質陽極氧化處理的閥門用鋁合金零部件每年會均勻減薄0.0144mm，減薄1mm需要70年。舉例來說，厚度為2mm的工件，其腐蝕減薄0.1mm雖然需要7年，但減薄0.1mm後其使用的安全係數及安全性降低，因此應特別注意其腐蝕的產生。

對於經硬質陽極氧化處理的本發明實施例鋁合金試樣，硬質陽極氧化層厚度為5μm時，腐蝕電流密度降低了兩個等級，實施例1經硬質陽極氧化處理的鋁合金試樣在1.0wt%的NaClO溶液中的腐蝕電流密度為1.88×10^-8 A/cm²，腐蝕速率為0.20μm/年，表示減薄0.1mm需要約500年，說明經硬質陽極氧化處理的鋁合金零部件的使用壽命顯著延長，其使用壽命大概是未經硬質陽極氧化處理的工件的70倍以上。

對於與管道通過螺紋連接的閥門用鋁合金零部件，由於其螺紋處易放電導致硬質陽極氧化層局部破 壞，所以在實際應用中，最好在該閥門用鋁合金零部件的螺紋的表面形成絕緣漆層。

Claims (10)

1. 一種閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其係包括以下步驟：1)熱處理：對閥門用鋁合金零部件採用T6熱處理，其中固溶處理溫度為510至570℃、時間為2至8小時，人工時效溫度為170至190℃、時間為4至10小時；2)振動研磨處理：對熱處理後的閥門用鋁合金零部件的表面進行振動研磨，時間為0.5至2小時，振動研磨後進行超聲波清洗，然後沖洗並乾燥；3)化學拋光處理：採用由磷酸、硫酸和硝酸組成的拋光液對閥門用鋁合金零部件的表面進行拋光，拋光時間為40至180秒，拋光液溫度為95至105℃；以及4)硬質陽極氧化處理：採用含硫酸的氧化液對閥門用鋁合金零部件進行硬質陽極氧化處理，使閥門用鋁合金零部件的表面形成硬質陽極氧化層，硬質陽極氧化時間為60至100分鐘，電壓為10至25伏特(V)，溫度為-5至5℃。
2. 如請求項1所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其中在步驟3)中，以該拋光液之總重量為基準，所述的磷酸的濃度為70至80重量百分比(wt%)，所述的硫酸的濃度為15至25wt%，所述的硝酸的濃度為1至10wt%。
3. 如請求項1所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其中在步驟4)中，以氧化液之總體積為基準，所述的硫酸的濃度為200至280克/升(g/L)。
4. 如請求項1所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其中在步驟4)中，所述的硬質陽極氧化層的厚度為5 至30微米(μm)。
5. 如請求項4所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其中在步驟4)中，所述的硬質陽極氧化層的厚度為15至25μm。
6. 如請求項1所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其還包括染色處理：將硬質陽極氧化處理後的閥門用鋁合金零部件的表面染成一顏色，染色時間為15至25秒，溫度為30至50℃。
7. 如請求項6所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其還包括封孔處理：對染色處理後的閥門用鋁合金零部件表面的孔隙採用一封閉劑進行填封，該封閉劑係包含水以及一封閉粉，其中以該封閉粉之總重量為基準，該封閉粉的組成為：醋酸鎳為70至80wt%、絡合劑為15至25wt%、表面活性劑為2至8wt%，封閉時間為5至15分鐘，封閉劑溫度為70至100℃。
8. 如請求項1至7中任一項所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其中該閥門用鋁合金零部件具有螺紋，藉以與管道連接，該方法還包括後處理步驟，所述的後處理步驟包括在該閥門用鋁合金零部件的螺紋的表面形成一絕緣漆層。
9. 如請求項8所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其中所述的閥門用鋁合金零部件的螺紋為內螺紋。
10. 如請求項8所述之閥門用鋁合金零部件表面處理方法，其中所述的絕緣漆層由醇酸樹脂組成。