【材质工艺】铝的介绍

铝的简介

许多人常常以为铁Fe是地壳中最多的金属。其实，地壳中最多的金属是铝Al，其次才是铁，铝占整个地壳总重量的7.45%，差不多比铁多一倍！地球上到处都有铝的化合物，像普通的泥土中，便含有许多氧化铝Al₂O₃。最重要的铝矿是明矾矿和铝土矿。我国有极为丰富的铝矿。

现在，铝很普遍，是重要的合金元素。我们平常使用的硬币，便是铝做的。在厨房里，铝锅、铝饭盒、铝匙、铝盆、铝勺、铝镬……。然而，在一百多年前，铝却被认为是一种稀罕的贵金属，价格比黄金还贵，以至被列为“稀有金属”之一。

其实，这是不足为奇的。因为铝的价值贵，完全取决于炼铝工业的水平。在一百多年前，人们使用金属钠Na来制取铝。钠很贵，当然铝就更贵了。直到十九世纪末，人们发明了大量生产铝的新方法——在冰晶石和矾土（氧化铝）的熔融混合物中通入电流进行电解。这时，铝才开始走向大工业，走向生活的每一个角落。

铝，是银白色的轻金属（比重只有2.7）。人们常把铝叫做“钢精”。纯净的铝很软，可以压成很薄的箔，现在包糖果、香烟的“银纸”，其实大都是铝箔。纯铝的导电性很好，又轻盈，人们常用它来代替铜，制造电线，特别在远距离送电时，多用铝线来代替铜线，可以减少电线杆等设备。无产阶级文化大革命以来，我国大力发展“以铝代铜”，攻克了“以铝代铜”的技术关键——铝的焊接技术，制成了各种马力的铝线电机，节约了大量的铜。纯铝也大量用于化学、半导体与电子学的研究及光学仪器的生产上。纯铝能很好的反射光线，所以探照灯的灯罩常常用纯铝做。

不过，纯铝太软了些，平常人们总是往里加入少量的铜Cu、镁Mg、锰Mn等，制成坚硬的铝合金——“硬铝”。铝和铝合金美观、轻盈而又不易锈蚀，用途很广。例如前些年有人统计，一架飞机中约有五十万个用铝做的铆钉！机身、机翼、机尾、螺旋桨、引擎也离不了铝和铝合金，据统计，铝和铝合金占飞机总重的70%左右。如果火车的车皮都用铝做，重量将大大减轻，机车牵引效率也可提高。铝制的舰艇，不仅速度快、不被海水浸蚀，而且没有磁性，不为磁性水雷所发现，军事上十分重要。最近几年铝合金又成为制造人造卫星、火箭的重要材料。此外，在运输部门，铝也被用来制造高速度的机车、桥梁、输油车的油罐以及船只和汽车中的某些零件；在建筑工业上，用铝作骨架、铝梁、空心铝壁板以及各种铝制构件。

铝是银白色的，可是铝制品用没多久，表面常变得白蒙蒙的，这是什么缘故呢？这便是铝生锈了。铝的表面与空气中的氧化合，生成一层薄薄的氧化膜——氧化铝。这层氧化铝非常致密，它紧紧的贴在铝的表面，防止里头的铝继续和氧化合。这层氧化铝不怕水浸，不怕火烧，熔点高达2050℃，怪不得铝制品很难锈蚀，经久耐用。这层氧化铝甚至不怕硝酸的浸蚀，所以硝酸厂里常用铝罐来装浓硝酸。不过，这层氧化膜却怕碱，碱能溶解它，盐酸和硫酸也能溶解它。因此，铝制品不能用来盛碱性物质，脏了也不要用草木灰来擦，草木灰是碱性物质，用它擦铝制品，会缩短使用寿命的。另外，也不要把酸性的菜蔬等方在铝锅里过夜。

别看氧化铝薄膜那么白蒙蒙的，自然界里坚硬而美丽的宝石——刚玉，也是氧化铝呢！他是一种晶态无水氧化铝。刚玉的硬度仅次于金刚石，常被用来制造金属制品的磨轮，手表里的轴承就装在这耐磨的刚玉上。常听人们谈起手表里的“钻数”，这钻数就是指表里刚玉的颗数。除手表外，天平、时钟、电流计、电压表里也要用到刚玉。现在，人们从铝土矿里提取纯净的白色氧化铝粉末，放在炽热的电炉里加热熔化，制取人造刚玉，它甚至比天然的刚玉还要坚硬。

正常成年人体内共含铝45～150毫克，平均100毫克左右，而成了人体内的微量元素。通常，每天从一般饮食中摄入肠胃道的铝10～100毫克，吸收率约为0.1%,绝大部分随粪便排出体外。进入体内的微量铝，正常人也有能力通过肾脏等排泄器官将铝排泄出去。

但是，近年来研究发现，人肠壁的这种屏障作用并不十分完善，当人摄入过多的铝后，也会较多地进入组织。而且也难以迅速排泄出去，从而淤积在各器官内。

铝的特性

铝的热熔

铝的热熔系数与温度有关，低温时（40k）与温度的三次方成正比,298k-900k之间符合定律C=a+b*T，高温时趋近于25J/mol.C。详细说明请参阅《无机材料物理特性》

铝的热导

由于铝属于无机物，导热系数呈现钟形的变化趋势，最高点在60k左右。等温度升高时趋近一稳定值。详细信息请参阅《无机材料物理特性》。

铝合金灯具的装饰

目前市场上各种形式的灯具琳琅满目，制造灯具中的大部分材料采用铝或铅合金。这是因为它质轻、耐腐蚀，而且容易加工成型，可以制造成各种龙风形灯杆，蝴蝶片，大、小碗罩，各式各样的板、栅及灯杆等，而且经表面处理后，可以染上各种颜色，例如金黄色、红色、古铜色、蓝色及黑色等，使灯具显得更加赏心悦目，甚至富丽堂皇。某市机器曾对铝制灯具的氧化着色工艺的生产实践作了相关的介绍。

1.铝制灯具氧化着色工艺流程

铝制灯具工件一化学除油一热水洗一冷水洗一酸洗一冷水洗一热水洗一化学抛光一热水洗一冷水洗一酸洗一两道水洗一阳极氧化一水洗一着色一封闭处理一浸罩光漆斗成品。

2.阳极氧化前的处理

(1)化学除油 铝制灯具的各种构件采用LYl2、Ll2硬质铝合金冲压成型，而灯杆则用含硅量较高的LD-1锻造铝合金制造，制造后先进行除油，除油溶液的配方及工艺条件如下：

氢氧化钠(NaOH) 5～109/L 碳酸钠(Na2C03) 15～309/L磷酸钠(Na3P04· 20～609/L 溶液温度 65～80′(712H20) 处理时间0.5–i.5min .

也可用金属清洗剂30～509/L，室温下浸洗l～3min。

(2)酸洗除油及抛光后的酸洗均采用40010009/L的硝酸溶液浸洗片刻，其中除油后的酸洗液为400～8009/L硝酸液，而抛光则用800～10009/L硝酸液。

(3)化学抛光 对LYl2、Ll2硬铝冲压制造的部件，用磷酸一硝酸一硫酸型抛光液抛光，通过抛光可以获得镜面般的光亮表面，但在抛光溶液中需含有一定量的铜离子才能抛得光亮。因此，可在溶液中加入一些废铜片溶解;另外，为了改善抛光表面、抑制过量腐蚀，可适当加些甘油或有机酸类。硝酸在抛光过程中消耗较快，应经常补充，否则硝酸太少，零件表面不亮，含量过高，零件产生过腐蚀。零件表面不能带有水分入抛光槽，否则会产生点蚀，表面出现许多水白点。

化学抛光的溶液配方及工艺条件如下：

工业磷酸(H3P04· 75%～80% 工业硫酸(H2S04，l0%～l5%12H20，体积分数) 体积分数)

工业硝酸(HNOa， 5%～l0% 溶液温度 90～105″(2体积分数) 抛光时间 20～50s对LD-1含硅铝合金，可在磷酸一硝酸一氢氟酸型溶液中抛光。

抛光溶液的配方及工艺条件如下：

工业磷酸(H3P04· 75%～85% 化学级氯氟酸(HF， 3%～5%12H20，体积分数) 体积分数)

工业硝酸(HN0a， 5%～8% 溶液温度80～90″C体积分数) 抛光时间 20～40s溶液中各成分的含量要严格控制。硝酸含量高于10%时，零件抛不光亮。

3.铝制灯具的阳极氧化

阳极氧化的溶液配方及工艺条件如下：

硫酸(HzS04) 180～2209/L 阳极电流密度0.8～1.5A/dm2溶液温度 l5～25″C 阴极材料 铅板或石墨槽电压 15～18V 处理时间 25～35min溶液中的硫酸最好用蓄电池用的硫酸。阳极氧化的时间应控制

得当。如氧化时间短，氧化膜较薄，着色时吸附的色素少，颜色浅且不鲜艳。氧化时间太长，氧化膜厚，染色较深，耐蚀性好，但光亮度下降。另外，溶液中不能带进Cl一、N0;-及其他有害杂质，否则氧化膜上出现点蚀;零件要夹紧通电，否则电流不畅会变成黑色;为了清除槽与槽间的零件色差，应该把每次阳极氧化的零件量以及电流大小、溶液浓度、控制温度及时间等工艺参数控制在相同的条件之下处理。 ‘

4.铝制灯具的着色

(1)阳极氧化后及着色前的处理零件阳极氧化后要马上用流动冷水冲洗，不能用热水，因为热水会引起氧化膜的封闭效应，使膜层难以染色。如果零件凹洼部位有残留酸液，将影响染色的效果，特别一些奇形怪状的弯管，灯杆及孔内的积液较难清洗，需要反复灌水、冲洗直至干净为止。另外，可用1%氨水或5%Na2C03溶液中和残留的酸液，然后用清水洗干净后马上着色。

如果不能马上着色的零件，可放进纯水中浸泡等待，但时间不能太长，否则也影响着色质量。若停留超过30min，可用5%～10%醋酸溶液活化3～5min再着色。装拆零件时，不能用手触摸，以免留下手印。应戴塑胶手套操作，以保色膜质量。

(2)灯具零部件着各种颜色

①着古铜色着古铜色的溶液配方及操作条件如下：

碱性黑 3～59/L 着色温度 55～65*(2茜索红0.4～O.69/L 着色时间 5～10rain茜素黄0.1～0.29/L

先将碱性黑染料放进大烧杯中，加去离子水煮沸20～30min，

使之完全溶解，此时溶液pH≥12，待溶液冷却后，用冰醋酸调pH至4.8～5.5，再加入溶解好的茜素黄、茜素红、染料、调整pH至工艺要求后试染，可能需要反复调整各种成分的比例直至颜色达到满意为止。

②着金黄色 着金黄色的溶液配方及工艺条件如下：

茜素黄 o.3～o.89/L 溶液温度 60～70℃茜素红0.2～o.59/L 着色时间 l–3min溶液pH 4.5～5.5

茜素红、茜素黄分别用热蒸馏水溶解，然后将两种溶液混合在一起并进行充分搅拌，用醋酸和氨水溶液调整pH至规定范围，边调试边试染，直至颜色满意为止。主要是通过调节两种组分的比例得到光亮的金黄色。

③着黄色或红色 铅灯具零部件着黄色或红色所用的染色料和着金黄色的一样，都是采用茜素黄和茜素红，只是含量不同、两种成分的比例不同。由此可见染料相同但配方含量不同，则颜色有较大差别。配时要小心注意，着黄色和着红色的溶液配方及工艺条，件如下。

着黄色配方及工艺条件：

茜素黄 1～29/L 着色温度 60～70℃茜素红0.1～o.29/L 着色时间 2～3min

着红色配方及工艺条件：

茜素红 3～59/L 着色温度 60～70℃茜素黄0.3～o.59/L 着色时间 3～5min

④染黑色染黑色的溶液配方及工艺条件如下：

碱性黑 ‘ 3～S9/L 着色温度 60～65℃溶液pH 4.8～5.5 着色时间 5～10min碱性黑是染黑皮革用的染料，价格便宜，其外观呈棕色粉末状。配制时用大烧杯加入去离子水，煮沸20～30rain，直至完全溶解，此时pH≥12，直接染不上色。冷却后用冰醋酸调整其pH至4.8～5.5，然后过滤转入有加热设备的塑料槽，再加入去离子水至规定的容积，用冰醋酸或氨水再次调整pH达到工艺应用范围，并加热至60～65℃，试染颜色满意后，再批量投产。

⑤染蓝色染蓝色的溶液配方及工艺条件如下：A液(亚铁氰化钾) 20～409/L 着色温度 20～30℃

B液(硫酸铁) 30～609/L 着色时间 均为5～8min

染蓝色用的是无机盐，氧化后的铝灯具零部件先在A液中浸5～8min，取出洗干净后再在B液中浸5～8min，如浸后颜色不够深，可以重复上述两种处理直至满意。零件取出洗干净，然后在热水中洗1～3min，再在烘箱中60～80℃烘干。

(3)影响着色膜质量的因素铝合金灯具阳极氧化后的着色大部分是用有机染料吸附上色。有机染料性能不稳定，很容易受环境的各种条件影响，因此色膜在着色时或着色后都必须注意色变。

①溶液pH值的影响 溶液的pH值要严格控制，pH过低，着色的牢固性和耐晒性都差，很容易褪色，就是在封闭时也容易流色。pH值可以用冰醋酸或氨水调整。

②溶液温度对着色的影响 着色溶液的温度要尽量控制好，不能有变动，特别是不能变动太大。温度太低，不易上色或者是颜色浅，耐光性差。如着色温度太高，色料未被充分吸收前，膜层可能已封闭，色液吸附不进去了，影响着色质量。一般情况下，在进槽时溶液温度宜取下限，出槽前宜取温度范围的上限值。

③着色时间对色膜质量的影响 着色时间如果太短，颜色太低，耐洗度和耐晒度都较差，但是着色时间太长也不好，表面吸附了过多的浮色，不牢固，很容易被擦去，影响色泽的质量。

④着色溶液中杂质含量的影响 着色溶液对杂质很敏感。当溶液中混有铜、镍、铅等金属离子等或油脂等有害杂质时，着色膜层的质量下降。 。

⑤其他因素的影响 着色溶液要搅拌均匀才能将零部件放进去。同一批零件要在同一时间投入，否则零件之间会产生色差;零件装好在挂具不能互相碰撞或接触，否则会影响染色的质量。

5.铝合金灯具着色后的处理

(1)着色后的封闭 无机盐着色是将有颜色的无机化合物填满

铝合金件氧化膜的疏松孔内，同时封闭氧化膜孔，所以不必另进行封孔处理。有机染料着色后，可在水蒸气中封孔30～45min。

(2)喷涂或浸涂一层罩光漆 由于染色的色膜很容易受光、热的影响而分解或流失而产生变化，所以在染色及封闭后，应喷涂或浸涂一层很薄韵透明罩光漆保护色膜，同时可以提高其耐磨及耐蚀性能。