7075鋁合金表面鉬酸鹽鈍化工藝

?

7075鋁合金表面鉬酸鹽鈍化工藝

徐臨超，陳賢杭，李勇

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325003）

摘要：采用環(huán)境友好型鉬酸鹽工藝取代鉻酸鹽工藝對(duì)7075鋁合金表面進(jìn)行鈍化處理，探討了鈍化液成分、pH值、處理溫度及時(shí)間對(duì)鈍化膜層耐蝕性的影響。中性鹽霧腐蝕（NSS）實(shí)驗(yàn)表明，采用鉬酸鹽鈍化工藝獲得膜層的耐蝕性優(yōu)于鉻酸鹽鈍化膜，膜層為無(wú)金屬光澤的均勻黑色鈍化膜，微觀結(jié)構(gòu)呈非連續(xù)性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有均勻分布的圓形亮色斑點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：7075鋁合金；鉬酸鹽鈍化；耐蝕性

7075鋁合金是一種冷處理鍛壓用合金，其強(qiáng)度優(yōu)于軟鋼，機(jī)械性能好，被廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、模具加工制造、輕工制造、機(jī)械設(shè)備零部件、工裝夾具等工業(yè)領(lǐng)域。由于7075鋁合金的組織晶粒細(xì)小，深度鉆孔性能好，耐磨性強(qiáng)，特別適用于制造強(qiáng)度要求高、抗腐蝕性能強(qiáng)的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)體。然而由于7075鋁合金中含有的鎂、鋅等合金元素，使其抗應(yīng)力腐蝕和抗剝落腐蝕的能力降低[1]。

為了提高7075鋁合金的耐蝕性，通常需要對(duì)其作鈍化處理。目前工業(yè)應(yīng)用中，通常采用的鈍化工藝為鉻酸鹽鈍化，該鈍化液中含有致癌能力極強(qiáng)，對(duì)環(huán)境危害極大的六價(jià)鉻[2]。嚴(yán)重影響生產(chǎn)工人及產(chǎn)品使用者的身體健康[3]，對(duì)社會(huì)環(huán)境帶來(lái)幾乎不可逆轉(zhuǎn)的影響。盡管六價(jià)鉻鈍化可以在7075鋁合金表面得到性能優(yōu)異的鈍化膜，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及歐盟ROHS環(huán)境體系法令的實(shí)行，其應(yīng)用必將逐漸受到嚴(yán)格限制[4]。我們研究鋁合金表面環(huán)境友好型鉬酸鹽鈍化替代含鉻鈍化，分析了各工藝參數(shù)對(duì)鈍化膜耐蝕性的影響，并確定了最佳鈍化工藝范圍。

1　試驗(yàn)方案

1.1鈍化實(shí)驗(yàn)

選用7075鋁合金片作基體，尺寸為50 mm×50 mm×0.5 mm。鈍化工藝過(guò)程為除油→水洗→除垢→水洗→鈍化→水洗→吹干，前處理主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1　室溫條件下鈍化工藝參數(shù)

（1）鈍化液的工藝條件

表2　基礎(chǔ)鈍化液及工藝條件

（2）鈍化液配置及其使用方法

第一，分別用少量蒸餾水溶解的稱量好鉬酸鈉、氟硼酸鈉、乙酸鈷；

第二，將上述溶解好的藥液依次轉(zhuǎn)入500 mL燒杯中，加入蒸餾水至標(biāo)準(zhǔn)體積；

第三，以磷酸或氫氧化鈉為pH調(diào)節(jié)劑，調(diào)整pH至設(shè)定值，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中涉及的化學(xué)試劑級(jí)別均為分析純。

第四，打開(kāi)電熱恒溫水浴鍋，設(shè)定要求溫度，將盛有鈍化液的燒杯置于其中，用溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，待鈍化液溫度升至標(biāo)定溫度后，將經(jīng)前處理后的7075試樣放入鈍化液中，處理預(yù)設(shè)時(shí)間后取出，水洗并吹干。

（3）對(duì)比試驗(yàn)（鉻酸鹽鈍化）方法

用500 mL燒杯盛取適量體積的5 g/L鉻酸酐溶液，在常溫條件下，將經(jīng)相同前處理得到7075鋁合金試樣，置于其中，鈍化1 min后，取出吹干。

1.2鈍化膜測(cè)試分析

鹽霧試驗(yàn)依照國(guó)標(biāo)GB/T 10125-1997，對(duì)所得試樣進(jìn)行5%中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)（NSS試驗(yàn)）。在JLT-60型鹽霧實(shí)驗(yàn)箱中，腐蝕條件為：溫度（35± 2）℃，腐蝕液5%氯化鈉溶液（pH 6.5~7.2）。連續(xù)腐蝕24 h后，去離子水將試樣沖洗過(guò)程中，用軟毛刷輕輕刷洗試樣表面，待沖洗干凈后，吹干。根據(jù)腐蝕面積與試樣面積的比率評(píng)定腐蝕程度。

附著力測(cè)定參照國(guó)標(biāo)GB/T 9791-2003，用無(wú)砂橡皮以通常壓力來(lái)回摩擦試樣表面10次，摩擦后，若鈍化膜層無(wú)磨損或脫落未露出基體，說(shuō)明鈍化膜有較好的附著力[5]。

微觀形貌觀察采用Leica DM2500 M金相顯微鏡，在200倍條件下，對(duì)試樣表面鈍化膜層的微觀組織形貌進(jìn)行觀察。

2　結(jié)果與討論

2.1鈍化液組分對(duì)鈍化膜性能的影響

當(dāng)主要成膜物鉬酸鈉濃度在7~10 g/L內(nèi)變化時(shí)，所得鈍化膜的耐鹽霧腐蝕性能變化較小；濃度過(guò)低（＜7 g/L）或者過(guò)高（＞10 g/L）時(shí)，則鈍化膜耐蝕性顯著降低。

氟硼酸鈉作為鈍化液中的一種復(fù)配成膜物，其濃度在10~30 g/L內(nèi)變化時(shí)，所得鈍化膜的耐鹽霧腐蝕性能變化不大；濃度過(guò)低（＜10 g/L）或者過(guò)高（＞30g/L）時(shí)，則鈍化膜耐蝕性顯著降低。

另一復(fù)配成膜物乙酸鈷濃度在5~8 g/L內(nèi)變化時(shí)，所得鈍化膜的耐鹽霧腐蝕性能變化不大；濃度過(guò)低（＜5 g/L）或者過(guò)高（＞8 g/L）時(shí)，則鈍化膜耐蝕性顯著降低。

輔助成膜物氟硼酸鈉、乙酸鈷、磷酸，在酸性條件下鈍化液中，可形成磷鉬雜多酸與氟硼鈷元素的復(fù)雜配合物，磷鉬雜多酸的強(qiáng)氧化及氟硼酸根的強(qiáng)刻蝕的雙重作用，彌補(bǔ)了鉬酸根氧化性弱的不足，不僅加快7075鋁合金基體的腐蝕速度，也加快鈍化膜的成膜速度。

由磷酸根、乙酸根及氟硼酸根組成的溶液不僅具有良好的緩沖性能，還可以起到穩(wěn)定鈍化液的酸度的功能。

鈍化液中輔助成膜物中的鈷與鉬元素，在成膜過(guò)程中，不僅能夠提高鈍化膜耐蝕性，還控制著鈍化膜的顏色變化。適當(dāng)?shù)慕M合，可使7075鋁合金的鈍化膜在宏觀條件下，展現(xiàn)無(wú)金屬光澤的均勻黑色。

2.2工藝參數(shù)對(duì)鈍化膜性能的影響

2.2.1 pH值對(duì)耐蝕性的影響

鈍化液的pH值對(duì)鈍化膜的成膜和耐蝕性影響較大，當(dāng)pH＜3時(shí)，7075試樣表面產(chǎn)生大量氣體，得到的膜層表面呈不均勻淡黃色或彩色，且存在流痕較多的現(xiàn)象。其原因是此時(shí)鈍化液中氟硼酸根刻蝕能力占主導(dǎo)地位，且由于生成氣體的沖刷作用，使基體表面無(wú)法形成連續(xù)的耐蝕鈍化膜層。而當(dāng)pH＞4.5時(shí)，鈍化后試樣鈍化膜較為疏松，附著力極差。上述2種情況下鈍化后的耐鹽霧腐蝕性能較差；當(dāng)鈍化液pH在3~4.5的范圍內(nèi)，得到的鈍化膜層耐蝕性較好。鈍化液pH對(duì)鈍化膜耐蝕性能的影響見(jiàn)圖1。

鈍化膜的形成過(guò)程中，基體表面存在金屬的溶解、金屬離子與鈍化液中的鈍化劑反應(yīng)、形成鈍化膜層。而氟硼酸根離子的刻蝕加速催化了這一過(guò)程，在pH為3.5時(shí)，其催化作用與成膜速度的組合影響達(dá)到最佳狀態(tài)，此時(shí)得到的鈍化膜表現(xiàn)出最好的結(jié)合力、均勻的黑色外觀，耐蝕性也最高。

圖1　pH對(duì)鈍化膜耐蝕性的影響

2.2.2溫度對(duì)耐蝕性的影響

保持鈍化條件不變，鈍化溫度對(duì)鈍化膜的成膜及耐蝕性的影響有一定規(guī)律性。膜層厚度測(cè)試表明，適當(dāng)?shù)奶岣咛幚頊囟龋阝g化膜的形成。圖2為試樣在不同鈍化溫度下鈍化處理的NSS試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯g化溫度為60℃時(shí)，膜層的耐蝕達(dá)到最佳，溫度過(guò)低，影響膜層的生長(zhǎng)速度，溫度過(guò)高，影響膜層的致密度，且當(dāng)溫度高于70℃，鈍化膜表面出現(xiàn)嚴(yán)重的掛灰現(xiàn)象。

圖2　溫度對(duì)鈍化膜耐蝕性的影響

2.2.3時(shí)間對(duì)耐蝕性的影響

在其他條件相同的情況下，7075鋁合金在同一鈍化液中鈍化時(shí)間不同，對(duì)其耐蝕性有較為顯著的影響?；阝g化的經(jīng)濟(jì)性考慮，研究鈍化時(shí)間上線為30 min，膜層24 h中性鹽霧試驗(yàn)（NSS）試驗(yàn)結(jié)果如圖3，結(jié)果顯示，鈍化處理時(shí)間越長(zhǎng)，鈍化膜越厚，顏色越深，膜層的耐蝕性越好。

圖3　時(shí)間對(duì)鈍化膜耐蝕性的影響

2.2.4優(yōu)化后參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果

基于上述研究結(jié)果，選取鉬酸鈉8 g/L，氟硼酸鈉15 g/L，乙酸鈷7 g/L，適量的磷酸調(diào)節(jié)pH至3.5，鈍化溫度60℃，鈍化處理10 min，經(jīng)前處理的7075鋁合金試樣的鈍化膜宏觀色度為黑色，色澤均勻，無(wú)金屬光澤，200倍放大的顯微組織如圖4所示，其微觀結(jié)構(gòu)呈非連續(xù)狀態(tài)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；鈍化膜經(jīng)24 h中性鹽霧試驗(yàn)（NSS）腐蝕后，腐蝕面積占比<1%，5%鉻酸酐鈍化膜層腐蝕面積占比3%，鉬酸鹽膜層明顯優(yōu)于鉻酸鹽膜層。

用無(wú)砂橡皮以通常壓力來(lái)回摩擦試樣鉬酸鹽膜層表面10次，膜層無(wú)脫落現(xiàn)象，表面鈍化膜與基體的結(jié)合力優(yōu)異。

圖4　鉬酸鹽鈍化膜200倍放大電子顯微圖

3　結(jié)論

第一，鉬酸鹽鈍化工藝的最佳范圍為：7~10 g/ L，氟硼酸鈉10~30 g/L，乙酸鈷5~8 g/L，適量的磷酸，pH 3~4.5，鈍化溫度60~70℃，時(shí)間為10~15 min，在該工藝范圍內(nèi)，鉬酸鹽、復(fù)配成膜物氟硼酸鈉、乙酸鈷濃度越高，則成膜速度越快。鈍化處理時(shí)間越長(zhǎng)，則鈍化膜越厚。

第二，采用鉬酸鹽鈍化工藝在7075鋁合金表面獲得了色澤均勻、耐蝕性好的鈍化膜，膜層為黑色，無(wú)金屬光澤，微觀結(jié)構(gòu)呈非連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膜層耐蝕性優(yōu)于5%鉻酸酐鈍化膜。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴旭明,陳五一,任炳義.加工工藝對(duì)7075鋁合金緊固孔表面形貌和組織的影響[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào),2001(8):655-660. [2]李季,孫杰,安成強(qiáng).鋁合金無(wú)鉻鈍化的研究進(jìn)展[J].表面技術(shù),2008,37(4):1-5.

[2]屠振密,張景雙,于元春,等.無(wú)鉻鈍化與三價(jià)鉻鈍化的研究進(jìn)展[M].表面工程技術(shù)創(chuàng)新研討會(huì)論文集,2005:37-41.

[3]章江洪,張英杰,閆磊.鍍鋅產(chǎn)品鉬酸鹽鈍化技術(shù)研究發(fā)展[J].材料保護(hù),2009,42(3):48-53.

[4]孫克寧,劉蘭毅,石偉,等.鍍鋅層無(wú)鉻鈍化工藝研究[J].材料保護(hù),2002,35(12):35-36.

[5]盧錦堂,孔綱,陳錦虹,等.熱鍍Zn層鉬酸鹽鈍化工藝[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2001,13(1):46-48.

（責(zé)任編輯：牛麗媛）

別下降了45.5%和14.5%，懸架動(dòng)行程增加了3.5 mm，但并沒(méi)有超過(guò)極限動(dòng)行程100 mm，所設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制磁流變半主動(dòng)懸架有效的提高了汽車(chē)的平順性和操作穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制算法與策略是正確的。

Passivation of 7075 Aluminum Alloy by Molybdate

XU Lin-chao, CHEN Xian-hang, LI Yong

(Zhejiang Industry & Trade Vocational College, Wenzhou, 325003, China)

Abstract:A environmental friendly process by molybdate for 7075 aluminum alloy surface has been investigated for replacing the high toxic one by chromate．Effects of bath composition, pH, treatment temperature and time on the properties of passivation film have been discussed. Results of Neutral Salt Spray tests show that an uniform deep black passivation film with corrosion resistance better than by chromate treatment is formed on the surface of 7075 aluminum alloy, non-continuous state micro structure, uniformly distributed circular bright spots.

Key words:7075 aluminum alloy; molybdate passivation; the corrosion resistance

作者簡(jiǎn)介：徐臨超，學(xué)士，助教，主要研究方向：材料腐蝕與防護(hù)。

基金項(xiàng)目：溫州市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目（G20110007）

收稿日期：2015-01-20

Doi:10.3969/j.issn.1672-0105.2015.02.013

文章編號(hào)：1672-0105（2015）02-0049-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TG178