鋁材質表面處理分析與應用(一) by Sallyna

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2011 年 12 月 16 日 由 lancekao

src:http://tw.myblog.yahoo.com/sallyna-sallyna/article?mid=2646&prev=2648&next=419&l=f&fid=43

表面處理(Surface treatment)或稱表面加工(Surface finishing)主要是改變金屬或非金屬如塑膠等材料表面之物理、機械及化學性質之加工技術。其目的是使材料更耐腐蝕、耐磨耗、耐熱、延長材料壽命、改善材料表面特性(如提高製品導電性等)、增加光澤美觀以提高產品附加價值等。表面處理的過程可在金屬或塑膠等材料表面生成一層保護膜(Protective coating),若依材質可分為無機膜(Inorganic coating)及有機膜(Organic coating)兩類,無機膜包括金屬、玻璃、陶瓷材料以及利用磷酸化或陽極處理等程序所得到之化成膜(Conversion coating,係利用化學或電化學處理,使金屬表面生成一種含有該金屬成份的皮膜層),有機膜則包括油漆、樹脂、石蠟、油膏、橡膠和瀝青等。每一種保護膜均有其特性及使用範圍,如陶瓷膜耐熱耐酸但大多質脆不能受重大衝擊,陽極處理則適用於能獲得緻密具保護性氧化膜之鋁等金屬材料。

鋁金屬的特性

(1)鋁是地殼中含量第三多的元素,(前五名是:氧、矽、鋁、鐵、鈣),約佔地殼總重量的7.45%,僅次於氧和矽,比鐵幾乎多了一倍,更比銅多了將近一千倍。

(2)密度小,大約只有鐵的三分之一,金屬中密度最小的,非常地輕,和其他金屬製成合金之後,既堅韌又輕巧,因此,廣泛地用作飛機、汽車、卡車等零件和電纜上。

(3)鋁的活性大,表面易發生氧化作用,且由於表面產生的氧化物很緻密,會隔絕空氣,故能防止內部金屬進一步被氧化,但這層氧化鋁一段期間後會剝落,因此必須利用氧化鋁的特性,製造一層具有很好機械性能、耐磨耗、抗氧化等特性的保護層,防止鋁材進一步氧化。

鎂合金/鋁鎂合金的特性

(1)鎂合金(Magnesium Alloy) 一般主要元素是鎂,比重大約是1.8,是鋁合金的三分之二、鐵的四分之一,在實用合金中重量最輕,大多使用於控制面上;其加工溫度為攝氏200到350度(華氏400到650度)。易於搬運和處理,適用於各式各樣輕量化需求的攜帶式電子產品;而運用在汽車等運輸機器,其輕量化特性亦有助於節約能源,並減輕CO2排放量。

(2)鎂合金與塑膠材料相比,比重雖然較大,但強度較高,可替代鋼、鑄鐵、鋅合金及鋁合金等材料。此外,鎂合金的熱傳導率也相當優越,運用在機器內外部時,散熱效果佳。

鋁鎂合金(Aluminium-magnesium alloy)一般主要元素是鋁,再摻入少量的鎂或是其它的金屬材料來加強其硬度。因本身就是金屬,其導熱性能和強度尤為突出。鋁鎂合金質堅量輕、密度低、散熱性較好、抗壓性較強,能充分滿足3C產品高度集成化、輕薄化、微型化、抗摔撞及電磁屏蔽和散熱的要求。其硬度是道統塑膠機殼的數倍,但重量僅為後者的三分之一,通常被用於中高檔超薄型或尺寸較小的筆記本的外殼。而且,銀白色的鋁鎂合金外殼可使產品更豪華、美觀,而且易於上色,可以透過表面處理工藝變成個性化的粉藍色和粉紅色,為筆記本電腦增色不少,這是工程塑膠以及碳纖維所無法比擬的。因而鋁鎂合金成了便攜型筆記本電腦的首選外殼材料,目前大部分廠商的筆記本電腦產品均採用了鋁鎂合金外殼技術。

(1)鎂是一種輕質銀白色金屬,在鎂中加入鋁、鋅或者鋁、錳等,就變成一種具較高強度及剛度,且是良好鑄造性能及防震性的輕質合金材料,鋁鎂合金為所有結構用金屬中比重最輕者,近年來3C(Computer、Communication、Consumer Electronics Products)產品輕量化之訴求成為產品行銷的重點之一。

缺點︰鋁鎂合金並不是很堅固耐磨,成本較高,比較昂貴,而且成型比ABS困難(需要用沖壓或者壓鑄工藝),所以筆記本電腦一般只把鋁鎂合金使用在頂蓋上,很少有機型用鋁鎂合金來製造整個機殼。

各種鋁合金的種類

鋁材料本身是軟而富延展性的材料,但依用途而添加各種元素而成鋁合金,擠壓加工採用加工性優秀的展伸用合金,依添加元素的種類分為數種合金系如下:

◎1000系鋁:屬於工業用純鋁,加工性、腐蝕性、表面處理性、導電性等優秀,但強度低,用於不要求強度的家庭用品、電器等。

◎2000系鋁:為Al-Cu系合金,又稱杜拉鋁、超杜拉鋁,以2017、2024為其代表,強度不亞於鋼材,可用於飛機用材料,但因含較高的銅,腐蝕性差,用於腐蝕環境時,需考慮腐蝕處理。

◎3000系鋁:為Al-Mn系合金,添加Mn1~1.5%的3003為代表性合金,不減低純鋁的加工性、耐蝕性,改善強度,廣用於日用品、建材、器物等。

◎4000系鋁:為 Al-Si系合金,以4032、4033為代表,4032添加12%Si而抑制熱膨脹率,改善耐磨耗性,又添加1%Cu、Ni、Mg改善耐熱強度,用為鍛造活塞用材料。4043因Si粒子分散,陽極氧化皮模呈灰色,用為大樓建築的帷牆,熔融溫度低可用為熔接用電極線、青銅焊材。

◎5000系鋁:為 Al-Mg系合金,耐蝕性、熔接性、表面光澤等優秀,可藉Mg量增減強度,Mg添加少的合金用於裝飾材、高級器物。Mg含量中等者強度中等,但加工性良好,廣用於船舶、車輛、建築。Mg含量多的合金為非熱處理型合金,有高強度,熔接性良好,當成熔接結構材,用於船舶、車輛、化工廠。此系合金耐海水、工業區的污染環境,防蝕處理的必要性減少。

◎6000系鋁:為Al-Mg-Si系合金,乃在金屬間化合物Mg2Si析出過程析出硬化的熱處理型合金,此系合金的強度、耐蝕性良好,熱間加工性優秀,成用為擠壓用合金,6063的擠壓性良好,淬火性也良好,容易製造複雜段面的型材,大量用於以門窗為中心的建築用。

◎7000系鋁:可分為Al-Zn-Mg-Cu系高強度合金與Al-Zn-Mg系熔接結構用合金。Al-Zn-Mg-Cu系合金的代表為超杜拉鋁7075,再鋁合金中有最高硬度,主要用於飛機、運動用品等。Al-Zn-Mg系合金有較高強度,為熔接性及淬火性優秀的三元合金,7N01為其代表性合金,但熔接後的熱影響不呈熔體化狀態,藉自然時效而回復接近母材強度。

 

鋁材質表面處理分析與應用(二) by Sallyna

鋁及其合金的表面處理技術

表面工業雜誌

  在鋁的表面處理方法中,陽極氧化稱得上是一種「萬能」的方法。鋁的陽極氧化是用鋁或鋁合金當陽極,用鉛、碳或不銹鋼當陰極,在草酸、硫酸、鉻酸等溶液中電解。用該方法可得到自然氧化法難以達到的成膜速度。

Sallyna簡單說陽極處理與粉體塗裝有何不同?

陽極處理即俗稱的電鍍→經過時間→表面產生鏽蝕氧化物→美觀受影響強度不變→

應用方面:例如小零件螺絲、螺帽等電鍍。

粉體塗裝就是粉體烤漆→經過時間→表面不會產生鏽蝕氧化物→鋁合金本身已經完全與空氣隔絕關係→

應用方面:通常機殼都會用這種處理方式。

陽極基本上是利用電解的一些原理,
簡單的來講;就是讓鋁的表面毛細孔打開,
然後讓染色色彩填入毛細孔中,
最後在用一道封口的手續把它封起來,
這樣鋁就如同多了一層有顏色的保護膜啦!

陽極氧化(anodizing)後→手工染色處理→封色手續→鋁多了一層有顏色的保護膜

無論做粉體烤漆或陽極處理,都是保護金屬表面增加其耐久性。

色:鋁材產品依需求,在表面上進行層積著色,此一工序即為鋁材染色處理,根據鋁材進行陽極處理後,而形成之氧化膜的厚度,進行各類染料之吸收層積,即可獲得所要求顏色色澤。

陽極處理

陽極處理技術,是在鋁及其合金經由鑄造(casting)或擠型(extrusion)所製成的物件上,做發色及保護膜的一種過程,這一層保護膜,能讓鋁材耐候抗氧化經久耐用。六合鋁業的基本氧化膜厚皆符合CNS標準,並經封孔處理,耐蝕性可達50秒以上。烤漆則是再加上一層具有耐鹼耐酸之電著塗料(簡稱ED),厚標準則為7μm以上。

粉體塗裝

將溶劑樹脂塗料改為粉狀(Powder)經靜電噴槍讓塗料帶靜電荷附著於物件表面,經烘烤完成。

鋁材噴砂

噴砂技術是以高速強迫不鏽鋼砂通過摩擦鋁材表面,塑造表面霧化的過程並產生新的氧化膜,去提高鋁材的抗氧化能力。這是一種破壞性的加工方式,利用細小的金屬顆粒對金屬表面衝擊,讓表面產生像顆粒化般的凹陷。噴砂是陽極前的另一項加工處理,因此噴砂後的鋁料還需要經過陽極電鍍或上色。

陽極處理:

電鍍(陽極處理)

陽極處理為表面處理工法之一種

「陽極處理」這一項大家會較常聽到,其主要的目的是由於一般鋁合金很容易氧化,氧化層雖有一定鈍化作用,但長期曝露之結果,氧化層仍會剝落,喪失保護作用,因此陽極處理的目的即利用其易氧化之特性,藉電化學方法控制氧化層之生成,以防止鋁材進一步氧化,同時增加表面的機械性質。提供耐腐蝕(金屬的氧化物較金屬更安定,所以更耐腐蝕 )、美觀(用不同鋁合金來陽極處理,亦可做上色工作)以及提高耐磨性(若採用低溫硫酸電解液來做陽極處理,可產生非常堅硬的陽極鍍層,具有耐磨特性。

鋁鎂合金陽極處理之使用目的美觀、耐磨耗、耐電壓、耐高溫、耐腐蝕、具金屬導電/熱特性、具陶瓷耐高溫/腐蝕及絕緣特性。
影響陽極處理皮膜品質因素鋁材雜質含量、機械加工、電流、電解液、其他。

陽極處理通常只針對鋁材,但壓鑄鋁不能陽極處理。

因為鋁壓鑄件的雜質成份較高,無法用陽極處理,會在酸洗時整個變黑掉。

Sallyna要提醒您,如果手把(為鑄造品)鋁鑄品是無法陽極

鑄造的鋁合金經陽極處理後表面呈現暗灰色,

壓鑄品要做電鍍處理會出現凹點或凸點的狀況機會很高,
即使你在拋光之後 表面殘留的小孔仍是難以用肉眼看出。
陽極處理皮膜檢測方法膜厚、渦電流接觸式檢測、抗電壓測試、微硬度測試、鹽霧試驗、熱龜裂測試、硝酸滴定測試、表面粗度量測、顏色分析。
陽極處理程序步驟工件 → 脫脂 →水洗 → 化學光澤 → 水洗 → 脫漬 → 水洗 → 陽極處理→ 水洗 → 封孔→ 水洗 → 乾燥

陽極處理概述:陽極處理是一種使色澤能滲入物塊裡層的加工方式,其製程是於電解槽中,將金屬(大部分為鋁或鋁合金)工件置於陽極,施加一定電壓與電流,促使工件表面形成附著良好的氧化層。由於一般鋁合金容易氧化,氧化層雖有一定鈍化作用,但長期曝露之結果,氧化層仍會剝落,喪失保護作用,因此陽極處理的目的即利用其易氧化之特性,藉電化學方法控制氧化層之生成,以防止鋁材進一步氧化,同時增加表面的機械性質,另一方面藉不同化成反應,產生各種色澤(發色)增進美觀。陽極處理應用廣泛,包括3C產品、建築物鋁帷幕、鋁門窗、影印機抄紙滾桶、軍事武器等以鋁或鋁合金為材質者多會使用。

陽極處理分類:陽極處理有分鋁合金陽極(Aluminum anodizing)、鎂合金陽極(Magnesium anodizing)、鈦合金陽極(Titanium anodizing)、陶瓷陽極(Ceramics anodizing)等。

陽極處理的好處:

1.耐腐蝕(corrosion resistance)

2.塗裝附著性(paint adhesion)

3.裝飾(decorative appearance)

4.耐磨性(abrasion resistance)

它可應用在不同的產業,例如汽機車工業、航太工業、船舶工業、光電科技工業、微機電工業、資訊工業、醫藥工業、骨科移植、衛星通訊工業等等。而當中的陶瓷陽極更可以把陶瓷薄膜調控其金屬性、半導性、絕緣性…等並製作成薄膜電子元件。

· 電鍍鎳Nickel:
電鍍為一種電解過程,提供鍍層金屬的金屬片作用有如陽極,電解液通常為鍍著金屬的離子溶液,被鍍物作用則有如陰極。一般泛指以電解還原反應在物體上鍍一層膜。且由於電鍍表面具有保護兼裝飾效用;故廣被應用。然而電鍍金屬為鎳還提供其他特性,諸如高導電性、高度光反射性或降低毒性。

· 噴砂機Sand blasting:
噴砂(Sand Blasting)處理金屬表面,原理是將加速的磨料顆粒向表面撞擊,而達至除銹、去毛刺、去氧化層或作表面預處理等,能改變表面的光潔度和應力狀態.

· 電腦銑段差CNC(Computer Numerical Control):
適用於各種廣告、模具、模型、禮品、木工、建築、紙箱印刷等產品加工製作,並可對壓克力、PVC板、木板、雙色板、塑鋁板、ABS板、合成大理石、玉石、橡皮、金屬、等材料加工和立體雕刻。

· 鐳雕機Laser marking:
系統可進行圖案,LOGO,文本等任意信息的標記,具有標刻圖案精細美觀,永不磨損,更可以隨意控制打標的深度.

· 點膠機Gluing:
運用三維圖像檢測處理,實現點膠針頭的高度、點膠位置及模式的自動控制,並對點膠量進行監控。
應用範圍:用於硬盤磁頭、電子、半導體和光通信等產品裝配生產中的自動點膠。

· 熱壓機Hot pressing:
運用高溫及加壓技術控制各工件間的間隙穩定度。

· 鉚合機Riveter:
加工時沖頭不轉動,每次的加工穩定,固定或活動鉚合均佳。

· 鐳焊機Laser solder:
以雷射技術克服電阻點焊接的焊點面缺點(僅單面有痕跡),加工速度快、焊件強度更高。

· 髮線機Hair line:
利用砂帶來處理物體表面,使其表面呈現出如髮絲般又細又直的線條。適用於髮線的物品包括:鋁製品、白鐵製品。

粉體烤漆

鋁圈粉體烤漆

烤漆是一種表面被覆處理的工藝,它與鍍層被覆及陶瓷被覆相比,在特性和用途上既有共同點,又有差異之處,而在應用的廣度上,烤漆則是三者中居於首位的。

1.功效—烤漆的功效就是使塗料的潛在功能轉變成為實際的功能,使工業產品能得到預期的保護和裝飾效果,以及某些特殊的效能。

2.三個要素—為了保證產品的塗飾品質,使形成的塗膜能達到設計的技術要求,以獲得產品最高的經濟效益,則必須嚴格掌握塗飾的技術要素。在塗飾工程中,直接影響塗膜品質的是塗料(塗料的品質高,且配套性良好,這是獲得優質塗膜的基本條件)、塗飾技術(塗飾技術(包括塗飾設備和塗飾環境等) 是獲得優質塗膜的必要條件 ) 和塗飾管理(塗飾管理是確保工藝規範的實施,從而達到塗飾目的和獲得優質塗膜的重要條件,在採用機械化和自動化程度較高的現代工業產品塗飾中,嚴格的科學管理更顯得十分重要。) 塗膜品質、塗飾技術、塗飾管理這三個要素。

Hi-Fine Ceramics 高精密陶瓷(陶瓷烤漆)

錶帶表面是用高精密陶瓷烤漆所處理

陶瓷烤漆

1.耐磨性:硬度高達4H以上,不易刮傷。

2.耐候性:測試在-20℃(2hr)~+80℃(2hr)七個冷熱循環,無龜裂現象,符合在台灣廚房高溫,煎、炒、油炸之特性。

3.耐熱性:水溫40℃下浸泡300小時,無光澤變化。

4.耐水性:從防潮底材到六面全包覆式多層次噴塗,防水性特佳。

5.可修復性:擦傷、碰傷可手工研磨回復,較嚴重者可回廠再次整理。

6.環保性:各項材料之原物料均通過國際各項環保安全認證。

7.選擇性:顏色可多變化,滿足客戶最大的需求。

以上各項特性符合1.美觀 2.好整理 3.持久性 4.無毒環境等基本速求

陶瓷烤漆應用範圍

陶瓷由於其耐高溫(約1,400℃~1,500℃)、高壓、抗強酸、強鹼、耐磨損等…特性,廣泛應用於半導體、光電業、化工、電機、金屬、通訊、機械、醫療、電氣、及日常生活等相關產業,範圍非常廣泛。

增加樹脂:
(1). 噴漆:前處理—噴漆—烤乾
(2). 烤漆:前處理—噴漆—烤乾—鎳架(溫度要求高,漆的種類不一樣)
(3). 電著塗裝:前處理—電著—烤乾
(4). 粉體塗裝:烘烤—-浸膠

鋁在表面處理改善及需注意地方

一般陽極處理良率約8成,影響良率關鍵主要在色差控制,其中亮度控制主要是在前處理之洗淨、拋光槽之溶鋁量、硝酸含量及特別之添加劑;顏色控制則在陽極槽、染色槽中進行。一般陽極處理所呈現之色彩為1~2色,若為多色則良率會再下降。

由於鋁或鋁合金經過陽極處理可使表面生成一層緊密的氧化物膜,堅硬耐磨,不易脫落,故手機、筆記型電腦、PDA等3C產品凡外觀件採鋁合金材質者,其表面處理幾乎均會使用陽極處理。至於3C產品其他常使用之材質包括工程塑膠及鎂合金等,所使用之表面處理工法以噴塗為主,其中鎂合金因主要採壓鑄成型,表面易形成氣泡,不適合作陽極處理,故採噴塗。

由於鋁合金具有輕、薄等特性,同時具防電磁波、可回收之優勢,近來逐漸取代工業塑膠,並廣泛應用於電腦、手機等3C產品,尤其歐盟於2003年2月公佈包括PC、NB PC、印表機、影印機、手機與無線電話等產品之「廢氣棄電子/電器產品回收法」,系統廠商與經銷商需在政府法規的規範下,負擔回收責任。故筆記型電腦與手機等廠商,採用輕金屬材質作為機殼的動作已明顯增加。

在輕金屬中,鋁合金雖在輕量化及強度方面表現較鎂合金差,惟成本較低、具耐磨、散熱性佳等特性,加以鋁合金是以鋁捲片為原料,以沖壓方式產生,良率較高,且在外觀效果上,表現處理工法較鎂合金多樣化(鋁合金可採噴塗、陽極處理等,鎂合金目前僅可噴塗處理),較易於進行各種表面處理,故多用於3C產品外觀件。鎂合金雖結構性強,惟因壓鑄的質量與產量穩定性較差,良率較低,產品價格亦較高,多使用於3C產品內構件,近來外觀件使用比重亦有增加趨勢。

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