氧化工艺的参数（化学抛光工艺详解）

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氧化工艺的参数

【氧化联盟】化学抛光工艺详解

一，磷酸系化学抛光液的组成与工艺条件

（1）磷酸系化学抛光液除磷酸外，最重要的组分还有硝酸和硫酸等。

（2）实践证明，硝酸的实际含量直接关系到抛光作业的工艺效果。当硝酸含量过低时，抛光速度慢，抛光表面的光亮度差，且往往会在制件表面上沉积较厚的红色接触铜层，或出现黑垢薄膜覆盖。反之，当硝酸含量过高时，抛光反应过快，制件表面易出现点状腐蚀，影响抛光表面的光亮度。

应当指出，硝酸本身易受热分解，这是抛光溶液中硝酸含量快速降低的主要原因之一。因此，欲维持抛光溶液的抛光性能，除抛光作业尽量采用低温操作外，应及时向抛光溶液补加硝酸，而且应每次少加，分次勤加。

（3）不少文献指出，硫酸是一种性能较好的“点蚀”抑制剂和工艺规范扩展剂。不含硫酸的化学抛光液，虽然也可获得光亮的抛光表面，但抛光作业的操作参数控制范围十分狭窄，对操作技术要求甚高，而且容易产生“点蚀”。加入适量硫酸，就可克服或部分消除这些矛盾，同时还可使抛光作用均匀化，提高抛光过程的整平性和加快抛光速度。但应注意，硫酸不可过量。否则，抛光溶液会出现细白稍带黄色的颗粒晶体析出，严重影响抛光效果。

处理这种晶析现象的方法，是加入适量头道回收水，并适当加热和搅拌，使析出的晶体尽量溶解掉。然后把未溶解的晶体过滤掉，再补充适量磷酸和硝酸，使抛光溶液的组成符合工艺规范。

一旦发生晶析现象，侥幸偷懒不愿及时处理而勉强维持生产的任何做法，都是要不得的。因为已经形成的晶体粒子，即使数量很少，它们也会起到“晶种”的作用，引起严重的结晶析出，甚至造成无法挽救的恶果。

（4）磷酸浓度过高时，也会形成晶体析出现象。但这种析出的晶体呈絮状针形且易溶于溶液中。稍许加热溶液同时加入少量硫酸和硝酸并稍加搅拌，即可使结晶全部溶解，而且一般情况下，不会再出现晶析。

（5）应特别指出，这种由磷酸、硫酸和硝酸组成的化学抛光溶液，对工艺效果影响更大的因素，不是它们各自的实际含量，而是它们之间的浓度比值。或者说，要获得一个工艺性能比较稳定而工艺效果比较满意的磷酸类化学抛光溶液，则必须将上述三酸的含量控制在一个比较合理的比例范围内。

磷酸与硝酸在抛光铝制件过程中的化学反应式为：

7Al 7H3PO4 5HNO4——7AlPO4 2N2↑ NO2↑ 13H2O

（6）新配制的磷酸类化学抛光液需要“老化”处理，下面介绍几种常用的“老化”方法。

方法1

将新配制的磷酸类抛光液加热到80℃左右，酌量加入一些铝材边角

材料或铝屑（3g/L~5g/L），使之与酸液发生化学反应，生成铝盐。再逐渐加热到95℃（加热过程中要间隙搅拌），保温2h，即可进行试抛光。

也可利用工艺要求较低的铝制件进行预抛光。控制抛光溶液温度在80℃左右，以10min/批~20min/批的速度进行分批预抛光，lh后缓缓升温到95℃（约lh)，即可用正式制件进行试抛光。

方法2

把还未加硝酸的新配混合酸加热到110℃，保温3h~4h（这时可加入二分之一的硝酸），以除去部分水分。然后再加入硝酸（若先前已加入部分硝酸，这时可加入余量硝酸），及2g/L纯铝屑，间隙搅拌使铝屑全部溶解。在此过程中，若有部分硝酸被消耗，则可适量补加硝酸，再把溶液缓慢降温到95℃~100℃，即可试抛光。

（7）用上述经“老化”处理的新抛光液进行抛光作业时，宜将抛光液温度控制在下限，以尽量减少硝酸受热分解逸出有污染的棕红色氧化氮气体。这是因为新配酸中硝酸含量较高之故。另外，抛光后的制件一定要及时迅速地取出，并立即用水充分冲洗干净，以免发生“倒光”现象。

随着抛光作业的连续进行，抛光溶液中的水分不断减少，铝离子陆续积多，使溶液密度逐渐增大。因此，抛光作业进行到一定时间后，应逐渐升高溶液温度，直至升到温度上限。

（8）少数抛光溶液加有一定量醋酸，是因为醋酸具有更强的抑制点状腐蚀的能力。使抛光表面呈现出较细致而光亮的表面。其缺点是醋酸较贵，也易受热分解。

（9）化学抛光溶液中加入少量硫酸铵和尿素，作用是抑制和减少硝酸的分解及氧化氮的析出，并改善抛光表面的粗糙度。

（10）抛光溶液中加入少量铜盐，如硫酸铜、硝酸铜、醋酸铜，目的是利用它们解离出的铜离子抑制过腐蚀现象的发生，以提高抛光表面光亮度的均一性。但这些铜盐不得加得过多，否则，过多的铜离子会降低抛光表面的反光性能。

（11）对含铜、锌较多的高强度铝合金制件的抛光，可选用加有铬酐的化学抛光溶液作为抛光介质。

（12）抛光的最佳温度为100℃~110℃。抛光作业实际控制的温度，应随着溶液使用次数的增多而逐渐升高，使越来越黏稠的抛光溶液具有较高的对流和扩散能力。在补充抛光溶液（因使用较久而逐渐丧失抛光性能）的同时，还应尽量减少被抛光制件表面黏附的抛光溶液，以免降低工艺损耗，而且更便于水冲洗。反之，若不及时提高抛光溶液的使用温度，就会发生黏稠的抛光液比较牢固地黏附在抛光表面，造成水洗困难，而且会使抛光表面发乌，或形成一层白色（或蓝灰色）膜，影响抛光表面的光泽。

抛光加工前，必须将抛光溶液加热到工艺规范以内。工艺要求抛光表面全光亮时，溶液温度宜控制在95℃~100℃。若工艺要求抛光表面一般光亮时，溶液温度宜控制在110℃~120℃。

抛光作业应注意：

a．有的工艺用抛光溶液中未加氧化剂（硝酸），抛光过程中抛光表面不能形成具有保护作用的氧化膜，使抛光表面易变色锈蚀。故必须对抛光后的制件进行钝化（中和出光）处理。较常用的钝化（中和出光）处理工艺，是用50%的硝酸水溶液，或3%~5%的重铬酸钾水溶液浸洗。在去除抛光表面上黑膜的同时，又使抛光表面形成一层保护性钝化膜，保护了抛光表面的光亮性。

b．在抛光作业过程中，严禁将水带人抛光溶液。

C．抛光槽一般用316L不锈钢制造，但应配置降温装置。挂具、夹具应用铝材或钛合金制造。

二，磷酸-硫酸-硝酸系化学抛光液的抛光机理

铝化学抛光的理论研究比电抛光少。

1956年，Fischer利用扫描电镜连续观察了磷酸-硫酸混合液中铝的溶解过程，发现铝表面首先被平滑化，然后再光亮化。其中平滑化与铝表面附近形成的黏稠状液体膜有关，而光亮化则由铝表面上生成的固体膜（氧化膜）有关系。

1983年，Hamlin定量研究了磷酸-硫酸-硝酸系化学抛光液的组分及工艺参数对铝溶解失重的影响，并结合对铝表面光亮度的定性观察，对其抛光机理作了进一步阐述。

1985年，高桥英明和永山政一确认了铝在磷酸-硝酸混合液中氧化铝膜层的形成。这些研究结果表明，铝的电抛光的双重膜理论也同样适用于铝的化学抛光。

当铝片浸人磷酸-硫酸-硝酸型抛光液中时，由于氧化剂硝酸的作用，在整个金属铝表面上将会生成一层均匀分布的铝的氧化膜，其形成过程表示：

4Al 4HNO3——2Al2O3 2H2O 2NO2↑ N2↑

此氧化铝膜受到抛光液中硫酸和磷酸的作用，立即又被溶解，所示：

A12O3 3H2SO4——Al2(SO4)3 3H2O

Al2O3 3H2SO4——2AlPO4 3H2O

因此，其总的反应过程可用式表示：

4Al 4HNO3 3H2SO4 2H3PO4——Al2(SO4)3 2AlPO4 2NO2↑ N2↑ 8H2O

铝的溶解量（即失重）随硫酸和硝酸浓度的增大以及水的含量的减少而逐渐增多。增大抛光液中硫酸和硝酸浓度以及减少水的含量均可使平衡向右移动，因而加速了铝的溶解，即增加铝的失重量。

同理，增大抛光液中磷酸的浓度，铝的失重本应增大，但由实验测得的结果看，铝的失重随磷酸浓度不是逐渐增大，而是逐渐减小。这是由于磷酸对铝的浸蚀作用远小于硫酸，因此，在“三酸”化学抛光液中，主要是硫酸起溶解氧化膜的作用。

并且，由于抛光掖中磷酸的浓度较高（约60%），因而可认为磷酸主要起增大溶液黏度的作用，并同铝溶解而生成的磷酸铝和硫酸铝等黏性盐一起在金属表面附近构成黏液膜，此黏液膜可作为金属基体和本体溶液之间的扩散障碍层，黏液膜在金属表面凸出处薄，Al3 由金属表面凸出处通过扩散层向本体溶液扩散的速度快；而凹陷处则黏液膜较厚，Al3 的扩散速度慢，从而使凸出处优先溶解，达到表面的整平作用。

因此，随着抛光液中磷酸浓度的增大，溶液的黏度变大，减缓了Al3 离子由金属表面向溶液本体的扩散，从而导致铝的溶解量逐渐减小。

高的硫酸浓度和低的硝酸浓度对应的铝片的光亮度较大，这是由于高的硫酸浓度和低的硝酸浓度确保了氧化膜的溶解速率大于氧化膜的生成速率，从而达到光亮作用。但是，如果硫酸浓度过高，反应速率过快，将导致铝的不均匀溶解，使铝表面的光亮度下降。另外，若硝酸的浓度过低，则不易形成氧化膜，同样达不到光亮效果。

高的磷酸浓度并非对应高的光亮度，这也从另一侧面说明了在有硫酸存在的条件下，磷酸对氧化膜的溶解作用是极微弱的。磷酸浓度过低，抛光液黏度低，不易形成黏液膜，表面整平性差，光亮度不佳，磷酸浓度过高，则抛光液黏度过大，抛光速度慢，虽然能达到整平效果，但无光泽，同样影响光亮度。

为获得最好的抛光效果，抛光液中水的含量应尽量控制在低的浓度范围，如9%~11%，随着抛光液中水的含量逐渐增大，黏液层受到破坏，Al3 离子在金属表面凸出处和凹陷处的扩散速度差减少，导致整平性变差，光亮度下降。

随着温度的升高，金属的溶解速率逐渐增大。温度过低，金属的溶解量小，抛光液的黏度高，不易形成黏液膜，抛光效果差；温度过高，抛光液的黏度下降，易造成金属表面的过腐蚀，光亮度迅速下降。因此，抛光温度控制在100℃~120℃之间为好。

随抛光时间的延长，铝的失重量较快增加。在1min~2min时，失重曲线渐趋平缓，并且对应铝片具有最大的光亮度。这是由于此时的抛光速率由扩散控制，即达到了扩散平衡。当抛光时间继续延长，铝的失重又迅速增大，金属表面出现过腐蚀，光亮度反而下降。所以，一般抛光1min~2min即可。

根据上述的测定结果，可以认为铝的“三酸”化学抛光，一方面取决于铝表面的钝化氧化膜，另一方面又取决于黏液膜（作为扩散层）的形成，这两方面的因素同时影响着铝的溶解过程，从而使铝表面微观凸起部优先被溶解，使表面逐渐被整平直至显出光亮的表面。

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