铝制品的表面处理方法

专利名称：铝制品的表面处理方法
本申请要求得到申请日为1998年8月28日的系列号为60/098,320的美国临时申请的优先权，在此全文引入以供参考。
本发明涉及改进铝制品的亮度而使用的清洁和表面处理方法。更具体地说，本发明涉及用锻造、铸造和/或接合技术制造的铝制车轮制品的改进的且更有效的表面处理方法。这种车轮适用于汽车，轻便卡车，载重卡车和公共汽车。本发明还可用于飞机轮子和其它航空部件。
目前对于光亮的铝制品的表面处理包括许多单独步骤清洁、脱氧、化学转化和涂漆。一般地，某些上述工艺步骤包括使用表面活性剂和/或缓蚀剂。对于大多数铝制品而言，最后的涂漆步骤是涂覆液态或粉末状的聚合物抛光层。所有这些工艺都依赖于开始时，光亮铝表面的有效性。这些表面处理取得完全成功的关键部分在于，在使用已知的化学处理时，使初始亮度的降低最小化，下文中将详细说明这些化学处理。
这些现有技术方法的缺点包括1、它们需要一个初始的光亮铝表面。该方法本身不能带来任何亮度。
2、化学处理(即清洁，脱氧和化学转化)和涂漆步骤一般会降低这些铝表面的亮度。这些对铝制品的初始性质产生不利影响。
3、使用许多化学处理和涂漆方法以便提高(a)这些铝制品上的连续涂层的粘附力；和(b)其耐蚀性。对于任一给定的产品，必须兼顾较高的亮度和较长的耐久性。
4、从制造的观点来说，过去的方法采用大量步骤，这需要使用相对高水平的雇员以确保一致性和质量。这些转变成高的操作和生产成本。
5、用六价铬可使耐蚀性最佳，但是由于其不利于环境和对健康有害，应避免使用。
众所周知，有许多铝制品的清洁，浸蚀，涂覆和/或表面处理方法。它们包括美国专利4,440,606；4,601,796；4,793,903；5,290,424；5,486,283；5,538,600；5,554,231；5,587,209；5,643,434和5,693,710。
在美国专利5,290,424中公开了提高特殊制品如由5000或6000系列铝合金制成的装饰性反射片的图像清晰度，在此全文引入以供参考。相反地，本发明不限制于此种片状制品。它还可用于对挤出、锻造和铸造的铝进行表面处理，特别是那些由Al-Mg合金，Al-Mg-Si合金，Al-Si-Mg合金和/或后两种合金的含铜变型。
当改进这些制品的粘附力、抗污性和耐蚀性时，本发明可使铝制品，特别是车轮的表面光亮。通过采用步骤减少了25％的生产工序，本发明可达到上述性质，而使总生产成本降低。本发明使两种较昂贵的己知表面处理步骤，即将表面光亮和清洁并入一个步骤。同时，本发明的方法使用更多对用户有益的组合物，无论短时间或长时间对于操作者或环境都不造成危害。最后，由于该方法的化学特性，导致最终产物具有较高的耐磨性。
本发明的新方法包括主要步骤1.单独的化学处理，其组成和操作参数依赖于被处理的制品是由Al-Mg合金，Al-Mg-Si合金或是由Al-Si-Mg合金制成的而进行调整。此种化学处理步骤可使被处理的铝光亮，同时产生便于后续处理的化学清洁的外表面。该步骤代替了原先的多步抛光和化学清洁操作。优选的，该化学光亮步骤使用硝酸含量在约0.05到2.7％(重量)之间的电解质。已经观察到，在硝酸超过2.7％(重量)时，对于Al-Mg-Si-Cu合金不能达到希望的亮度水平。优选的，该步骤用的电解质是磷酸基的，单独使用或与加入其中的某些硫酸结合使用，并且余量为水。
主要步骤2.第二个主要步骤是通过将上述铝制品暴露在含硝酸的浴中使其表面层脱氧，优选在由浓缩物得到的1∶1的稀释液中。该必须步骤为下述氧化物改性步骤和硅氧烷涂覆步骤做“准备”。
主要步骤3.本发明的第三个主要步骤是表面氧化物改性，设计为在表面的外部氧化物膜层中产生孔隙。由这种改性所导致的化学和物理性质将不会对最终制品(基体)的亮度产生不利影响。与主要步骤1类似，这种氧化物改性的特点是可以对Al-Mg-Si与Al-Si-Mg合金，用通过气体或液体连同电动势一起产生氧化环境来进行化学调节。此种氧化物薄膜的表面化学和构型对于保持此后涂覆的聚合物涂层的图像清晰度和粘附力起决定性作用。该步骤使用的一个优选表面化学品是氧化铝和磷酸铝的混合物，其交联孔隙深度为约0.01～0.1微米，更优选为小于约0.05微米。
主要步骤4.第四，将耐磨的硅氧烷基薄层涂覆到铝制品上，所述薄层与上述步骤3得到的下层多孔氧化物薄膜发生反应，随即形成化学上和物理上稳定的粘合。优选的，用常规技术将这种硅氧烷涂料喷涂到基体上，其中使喷涂混合物的空气含量最小化(或保持接近于零)。为了使铝部分上的转化最优化，涂覆液体涂料的粘度和挥发性可通过向其中加入最少量的丁醇来调节。
本发明上述方法的步骤消除了纤维状腐蚀，同时在对铝制品使用这些步骤时，可保持其初始亮度。在某些情况下，本发明还给制品以亮度，同时在少数步骤中即产生出化学清洁的表面，从而减少了总的生产成本。最后，本发明给各种铝制品所必须的一定程度的耐磨性，该铝制品为例如用锻造、铸造或其它公知方法或后来发展的生产方法所制造的车轮。该方法可满足所有上述条件，而不使用危害环境或损害健康的组分。
本发明的其它特征、目的和优点将参考附图由下面对优选实施方案的详细说明而更加清楚地描述

图1描绘的是根据本发明一个优选处理方法的主要步骤及有关子步骤细节的流程图，所述步骤在对铝制品进行典型的清洗(碱洗和/或酸洗)和漂洗之后进行；和图2a和2b是常规清洁涂覆制品的铝合金表面的侧视图(图2a)，与根据本发明处理的铝制品层的放大侧视图(图2b)的比较。
此处，对于优选合金的组成和/或对组分处理方法的任何描述，除非另外说明，所有百分数均为重量百分数(重量％)。另外，当此处涉及任何数值范围时，这些范围应理解为包括在固定范围内的最大和最小值之间的每一个数值和/或分数。例如，镁含量范围是约0.8-1.2％(重量)，将清楚的包括约0.81，0.82，0.83，和0.9％的所有中间值，直到包括1.17，1.18和1.19％Mg。这同样适用于下述每一个其它元素和/或操作范围。
例如，当涉及到整个铝合金时，术语5000和6000系列合金，是参考铝协会(Aluminum Association)标准，在此全文引入以供参考。
在本发明以前，公知的清洗和涂覆光亮铝车轮制品的方法，一般包括下述单独步骤(或不同作业)1.多步抛光；2.清洗；3.漂洗；4.脱氧；5.漂洗；6.化学转化；7.漂洗8.密封；9.漂洗；10。炉内干燥；11.粉末喷涂；和12.炉内固化。相反地，对于相同的车轮制品，本发明相应的步骤包括1.光亮；2.漂洗；3.脱氧；4.漂洗；5.氧化物改性；6.漂洗；7.干燥；8.硅酸盐化；和9.固化。通过减少25％的步骤，本发明设法得到更好的亮度，耐蚀性，并且首次对耐磨性有所提高。
对方法步骤的具体描述主要步骤1该步骤优选的化学光亮条件是磷酸基的，在80°F时测量其比重至少为约1.65。更优选的，在上述温度下第一主要步骤的比重范围在约1.69到1.73之间。用于此种化学光亮的硝酸添加剂应调节为使特定Al-Mg-Si-Cu合金制品上的组分和分散胶体相的溶解减至最少，特别是对6000系列挤出和锻造制品。此种硝酸的浓度要求在这些6000系列铝合金上的Mg2Si和基体相之间的局部化学腐蚀是均匀的。结果是，在处理电解质以及在从处理电解质向第一漂洗子步骤转变时，都会对最终制品的亮度产生积极影响。优选的，主要步骤1的硝酸浓度应为约2.7％(重量)或更低，更优选向该浴液中加入的HNO3的量在约1.2和2.2％(重量)之间。
为使亮度最佳化，本发明的表面处理方法应在铁浓度保持在低于约0.35％的6000系列铝合金上使用，以免Al-Fe-Si构成相优先溶解。更优选的，这些合金中的Fe含量应保持在低于约0.15％(重量)Fe。在上述比重中，在这些化学光亮浴液中溶解的铝离子浓度应不超过约35克/升。其中铜离子浓度应不超过150ppm。
主要步骤2经化学光亮处理的制品下步应进行预定的脱氧。适用于由5000或6000系列铝合金制成的车轮制品的一种优选的脱氧剂是硝酸基浴液，但是应能理解也可用其它已知的或后来发展的脱氧成分来代替。对于硝酸浴液，由浓缩物得到的1∶1稀释液可满足操作需要。
在化学光亮处理后，应从制品表面除去残余的Cu浓缩物，以延长其总耐久性。实现该目的的一种方法是将硝酸的水平调高，从而使合金表面上的Cu浓度不超过约0.3％(重量)。
主要步骤3脱氧后，进行氧化物改性步骤，以便产生磷酸铝和/或膦酸铝薄膜，其形态学和化学性质是与聚合硅酸盐涂层粘合所需的。该氧化物改性步骤应沉积厚度约1000埃或更少的涂层，更优选的厚度是在约75和200埃之间。如果采用电化学方法，可以在含有约2～15％(体积)磷酸或膦酸的浴液中进行。
主要步骤4用本发明处理的铝表面的最终性质取决于沉积在其上的最终硅氧烷薄膜层的均匀性，光滑性和粘附强度。将硅氧烷基化学品涂覆在由上述步骤3得到的氧化物改性层上。此种处理过的制品的初始和长期耐久性都依赖于这些金属的适当表面活性，随后进行硅氧烷基的聚合反应。最终制品的耐磨性决定于使用的硅氧烷化学制剂的相对交联度，即它们的交联能力越强，最后薄膜的柔性就越低。另一方面，硅氧烷的交联水平低将提高官能团与改性的下层铝表面粘合的能力，从而增强了初始粘附强度。然而，在后面的条件下，涂层厚度将增加，而耐磨性将降低，这将导致清晰度和耐久性分别降低。
总的说来，优选将硬质硅氧烷化学品用于由6000系列合金制造的铝制车轮。适用于主要步骤4的硅氧烷组分包括由SDC涂料公司商业销售的，以Silue为商标的那些。其它硅氧烷涂料合适生产商包括Ameron国际公司，和PPG工业公司。优选的，这种制品的聚合反应发生在环境压力下，以减少任何可能对金属表面微结构造成的影响。
对于任意给定的铝合金组分和产品，主要步骤1表面处理和主要步骤4硅氧烷聚合反应的相容性将决定最终性质。由于严格的表面性质要求，需要在金属表面的顶部达到高度交联的硅氧烷化学粘附，因此一般采用在真空条件下高度受控的表面制剂和聚合反应。最优选的，在真空中，采用细分散成液滴的硅氧烷化学制剂，而不使用电离的进行涂覆。借助于无空气喷涂雾化对此种液滴进行控制和分散，从而与常规的喷漆方法相比，使得与空气接触最小化，并使得在溶剂中硅氧烷的分散体系达到最优细分。最终的产物是薄而高透明的无“橘皮”涂层。
现在参考图2a和2b所示为两个侧视图的比较，即用常规现有技术抛光涂层方法沉积的侧视图(图2a)与根据本发明沉积表面处理的层的侧视图(图2b)。对于车轮，转化涂层最广泛使用的体系是采用常规聚丙烯或聚酯化学品粉末涂料。此种漆类化学制剂可提供足以与金属表面粘附的官能团，但是它们的粘附强度和耐久性依赖于所采用的金属合金/转化涂层/漆类体系的界面性质。
对于本发明，要求扩散界面使涂层从处理过的金属表面分层的可能性最小化。这是通过高度受控的表面改性方法以产生具有适当微结构和形态的磷酸铝或膦酸铝而达到的，从而在环境压力下实现了硅氧烷化学制剂的粘附作用。上述优选的硅氧烷基化学制剂还能使涂层厚度比那些用聚丙烯或聚酯粉末沉积的少约一个数量级。据信，这些精心挑选和按照优选规格制造的化学制剂能产生比以前可能有的涂层具有更高的均匀性和透明度(即清晰度)的涂层。在疏水性和渗透性方面，与聚丙烯和聚酯涂层对照物相比，硅氧烷基化学制剂还能产生更好的防水性和较低的水渗透性。这使得在各种形式的制品中，更易于产生清洁而耐久的铝覆层表面。
实验结果用由General Motors，Ford，和ASTM标准G85所建立的三种不同的腐蚀性能标准，在此全文引用以供参考，与用上述已知的现有技术12-步骤方法处理的第二种车轮(由相同的合金组成)相比，根据本发明处理的铝车轮制品进行得相当好。
用本发明的方法试验处理的载重汽车车轮，经过几个季节，经历了标准路况，和较粗糙、越野和施工条件的考验。在这两种情况下，定期(约一个月)对这些车轮用压力水喷射，其中使用肥皂和不用肥皂，以反复评估铝表面之下的光泽、透明度和抗污性。
由业已描述的优选实施方案，应能理解本发明包括所附权利要求范围内的其它方法。
权利要求
1.一种提高铝制品亮度的表面处理方法，所述方法包括下述主要步骤(a)向该制品涂覆化学光亮组合物；(b)在硝酸基浴液中，使该制品表面脱氧；(c)通过与含有磷酸或膦酸的电解质浴液接触在所述制品表面上形成多孔氧化物；和(d)在该多孔氧化物上涂覆硅氧烷基的外层。
2.根据权利要求1的方法，其中所述铝制品是由5000或6000系列铝合金(铝协会标号)制备的。
3.根据权利要求2的方法，其中所述铝合金是选自5454，5182和5052铝的5000系列合金。
4.根据权利要求2的方法，其中所述铝合金是选自6061，6063和6005铝的6000系列合金。
5.根据权利要求4的方法，其中所述合金含有少于约0.35％(重量)的铁。
6.根据权利要求5的方法，其中所述合金含有少于约0.15％(重量)的铁。
7.根据权利要求1的方法，其中所述铝制品选自挤出件，锻造件和铸造件。
8.根据权利要求1的方法，其中所述铝制品是车轮。
9.根据权利要求1的方法，其中所述铝制品在步骤(a)之前经过清洗和漂洗。
10.根据权利要求9的方法，其中所述步骤(a)之前的清洗是碱洗。
11.根据权利要求9的方法，其中所述步骤(a)之前的清洗是酸洗。
12.根据权利要求1的方法，其中所述铝制品在步骤(a)，(b)或(c)中的一步或多步之后经过漂洗子步骤。
13.根据权利要求1的方法，其中步骤(a)的化学光亮组合物包括约2.7％(重量)或更少的硝酸，约70-90％(重量)的磷酸，余量的水和杂质。
14.根据权利要求13的方法，其中所述化学光亮组合物含有约1.2-2.2％(重量)的硝酸。
15.根据权利要求1的方法，其中所述氧化物形成步骤(c)包括使该制品与含有约2-15％(体积)的磷酸或膦酸的电解质浴液接触。
16.根据权利要求15的方法，其中形成的氧化物约厚1000埃或更少。
17.根据权利要求16的方法，其中所述氧化物约厚75至200埃。
18.根据权利要求1的方法，其中所述硅氧烷基薄膜用喷涂法涂覆。
19.根据权利要求1的方法，其中所述铝制品在步骤(d)之后经过空气干燥。
20.根据权利要求19的方法，其中所述硅氧烷基薄膜在空气干燥之后经热固化。
21.一种提高铝车轮制品亮度和耐磨性的表面处理方法，所述方法包括以下步骤(a)向所述车轮制品涂覆化学光亮组合物；(b)在硝酸基浴液中，使所述车轮制品表面脱氧；(c)通过与含有磷酸或膦酸的电解质浴液接触在所述表面上形成多孔氧化物；(d)在多孔氧化物上涂覆硅氧烷基薄膜；和(e)热固化所述表面上的硅氧烷基薄膜。
22.根据权利要求21的方法，其中所述车轮制品由5000或6000系列铝合金(铝协会标号)制备。
23.根据权利要求22的方法，其中所述铝合金是选自5454，5182和5052铝的5000系列合金。
24.根据权利要求22的方法，其中所述铝合金是选自6061，6063和6005铝的6000系列合金。
25.根据权利要求22的方法，其中所述铝合金含有少于约0.35％(重量)的铁。
26.根据权利要求25的方法，其中所述铝合金含有少于约0.15％(重量)的铁。
27.根据权利要求21的方法，其中所述车轮制品在步骤(a)之前经过清洗和漂洗。
28.根据权利要求27的方法，其中所述步骤(a)之前的清洗是碱洗。
29.根据权利要求27的方法，其中所述步骤(a)之前的清洗是酸洗。
30.根据权利要求21的方法，其中所述车轮制品在步骤(a)，(b)或(c)中的一步或多步之后经过漂洗子步骤。
31.根据权利要求21的方法，其中步骤(a)的化学光亮组合物包括约2.7％(重量)或更少的硝酸，约70-90％(重量)的磷酸，余量的水和杂质。
32.根据权利要求31的方法，其中所述化学光亮组合物含有1.2-2.2％(重量)的硝酸。
33.根据权利要求23的方法，其中所述氧化物形成步骤(c)包括使车轮制品与含有约2-15％(体积)的磷酸或膦酸的电解质浴液接触。
34.根据权利要求33的方法，其中形成的氧化物约厚1000埃或更少。
35.根据权利要求34的方法，其中所述氧化物约厚75至200埃。
36.根据权利要求21的方法，其中所述硅氧烷基薄膜用喷涂法涂覆。
37.一种对清洗和漂洗过的6000系列铝车轮制品进行表面处理的方法，以便提高其亮度、抗污性和耐磨性，所述方法包括以下步骤(a)用含有磷酸和硝酸的组合物对所述车轮制品进行化学光亮处理；(b)漂洗所述车轮制品；(c)在硝酸基浴液中，使所述车轮制品的表面脱氧；(d)漂洗所述车轮制品；(e)通过与含有磷酸或膦酸的电解质浴液接触在所述表面上形成多孔氧化物；(f)漂洗所述车轮制品；(g)在所述氧化物上涂覆硅氧烷基薄膜；(h)热固化所述车轮制品上的硅氧烷基薄膜。
38.根据权利要求37的方法，其中所述6000系列铝选自6061，6063和6005合金。
39.根据权利要求38的方法，其中所述合金含有少于约0.35％(重量)的铁。
40.根据权利要求39的方法，其中所述合金含有少于约0.15％(重量)的铁。
41.根据权利要求38的方法，其中所述车轮制品在步骤(a)之前经过清洗和漂洗。
42.根据权利要求41的方法，其中所述步骤(a)之前的清洗是碱洗。
43.根据权利要求41的方法，其中所述步骤(a)之前的清洗是酸洗。
44.根据权利要求37的方法，其中步骤(a)的组合物包括约2.7％(重量)或更少的硝酸，约70-90％(重量)的磷酸，余量的水和杂质。
45.根据权利要求44的方法，其中所述化学光亮组合物含有约1.2-2.2％(重量)的硝酸。
46.根据权利要求38的方法，其中所述形成氧化物的步骤(c)包括使所述车轮制品与含有约2-15％(体积)的磷酸或膦酸的电解质浴液接触。
47.根据权利要求46的方法，其中形成的氧化物约厚1000埃或更少。
48.根据权利要求47的方法，其中所述的氧化物约厚75至200埃。
49.根据权利要求37的方法，其中所述铝制品在步骤(g)之后进行空气干燥。
全文摘要
本发明公开了一种铝制品特别是车轮的表面处理方法，以提高其亮度。该方法包括(a)向这些制品涂覆化学光亮组合物；(b)在硝酸基浴液中，使所述车轮制品表面脱氧；(c)用含有磷酸或膦酸的电解质浴液在其上形成多孔氧化物；和(d)在多孔氧化物上涂覆硅氧烷基薄膜，优选喷涂法。在很多例子中，在这些主要步骤之间进行中间漂洗子步骤。
文档编号C25D11/24GK1555429SQ99812016
公开日2004年12月15日 申请日期1999年8月27日 优先权日1998年8月28日
发明者L·F·维加, K·M·罗尼里, M·A·霍尔茨, J·R·格拉西, N·R·丹铎, L F 维加, 丹铎, 格拉西, 罗尼里, 霍尔茨 申请人:阿尔科公司