易俊蘭，張騏 *，詹中偉，湯智慧，孫志華，秦銳

（1.上海飛機(jī)制造有限公司，上海 200436；2.北京航空材料研究院航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

鋁鍍層具有優(yōu)異的耐蝕性、裝飾性、抗氧化性和力學(xué)性能，是一種理想的鋼鐵構(gòu)件防護(hù)層。目前鋁鍍層的制備方法主要有熱浸鍍、熱噴涂、濺射沉積、真空離子鍍、電鍍等。其中，電鍍鋁具有工藝條件溫和，操作過程簡(jiǎn)便，鍍層厚度均勻、可控等優(yōu)點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。

因鋁的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為?1.66 V，比氫的標(biāo)準(zhǔn)電極電位更負(fù)，故鋁的電沉積只能在室溫離子液體等非水電解質(zhì)中進(jìn)行，其中無(wú)水氯化鋁?1?乙基?3?甲基咪唑氯化物(AlCl3–EMIC)型室溫離子液體的研究較成熟[1-4]。它屬于初代室溫離子液體，具有黏度低、電化學(xué)窗口寬、鍍液易制備等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用廣泛[5]。但 AlCl3–EMIC型離子液體的整平能力不佳，電鍍過程中鋁更容易在基體或鍍層表面的凸出處析出，容易造成鋁鍍層表面粗糙、不光亮。當(dāng)使用表面粗糙度較大的基體，以高電流密度電鍍或鍍層較厚時(shí)，這種現(xiàn)象更明顯[6]。在實(shí)際電鍍生產(chǎn)過程中，為了提高鍍層與基體的結(jié)合力，基體表面的粗糙度往往很高，因此純AlCl3–EMIC型離子液體電鍍鋁在工業(yè)化生產(chǎn)中受到很大制約。

為了解決上述問題，一般采用加快室溫離子液體的流動(dòng)、升高溫度或者添加稀釋劑等方法[7]。但這些方法往往會(huì)提高對(duì)設(shè)備的要求，加大操作難度，或者降低鍍液的穩(wěn)定性。本文針對(duì)金屬鋁質(zhì)地較軟的特點(diǎn)，以機(jī)械拋光作為后處理來(lái)改善鋁鍍層外觀質(zhì)量，研究了機(jī)械拋光對(duì) AlCl3–EMIC型離子液體電鍍鋁層外觀、微觀形貌、厚度變化、結(jié)合力、耐蝕性等方面的影響，為 AlCl3–EMIC型離子液體電鍍鋁的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工藝流程

基材為50 mm × 25 mm × 2 mm的45鋼板，工藝流程為：化學(xué)除油→丙酮洗→吹干→吹砂→丙酮洗→吹干→電鍍鋁→酒精洗→吹干→機(jī)械拋光→丙酮洗→吹干。

1.1.1 化學(xué)除油

NaOH 30 ～ 50 g/L，Na2CO320 ～ 30 g/L，Na3PO4·12H2O 30 ～ 50 g/L，Na2O·nSiO210 ～ 30 g/L，溫度75 ～ 95 °C，時(shí)間 20 ～ 30 min。

1.1.2 吹砂

采用干式噴砂機(jī)，選用100目的白剛玉砂，噴砂壓力約0.4 MPa，噴砂距離約100 mm，控制試樣表面粗糙度 Ra為 1.5 ～ 2.0 μm。

1.1.3 電鍍鋁

鍍液是由無(wú)水AlCl3和EMIC按照n(AlCl3)∶n(EMIC)= 2∶1混合而成的淡黃色透明液體。電沉積在氬氣氛圍的真空手套箱內(nèi)進(jìn)行，使用純鋁片作為陽(yáng)極，溫度為(25 ± 5) °C，電流密度為8 mA/cm2，電鍍時(shí)間依據(jù)所需鍍層厚度而定，制備5 ～ 8 μm厚的鋁鍍層大約需要60 min。

1.1.4 酒精洗

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%的分析純無(wú)水乙醇對(duì)電鍍后的試樣進(jìn)行超聲清洗，時(shí)間3 ～ 5 min。

1.1.5 機(jī)械拋光

使用美國(guó)3M公司的661X型1號(hào)鉆石拋光帶，顆粒尺寸為1 μm。拋光帶單次使用面積為50 mm ×50 mm，在試樣上施加的壓強(qiáng)不大于2 kPa，拋光速率約4 min/dm2。

1.1.6 吹干

采用04JX101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱對(duì)樣品或基材進(jìn)行烘干，溫度60 °C，時(shí)間5 ～ 10 min。

1.2 測(cè)試方法

通過目視和采用KEYENCE公司的VHX-100K型視頻顯微鏡觀察鋁鍍層外觀，使用BYK Gardner公司的4601型霧影光澤度計(jì)測(cè)量鋁鍍層的光澤度。

使用 FEI公司的 Quanta 600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鋁鍍層的微觀形貌，使用北京時(shí)代的TR200型粗糙度儀測(cè)量鋁鍍層的表面粗糙度Ra(輪廓算術(shù)平均偏差)。

使用EPK公司的Minitest 3100型測(cè)厚儀測(cè)量鋁鍍層的厚度。

根據(jù)GB/T 5270–2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)述》，用一把刃口磨至30°銳角的鋼劃刀用力在試片的鍍鋁層表面劃6條間距為1 mm的平行線，再劃6條同樣間距的與之垂直相交的平行直線，要求深度直達(dá)基體金屬。若各線之間無(wú)鍍層剝落，則認(rèn)為結(jié)合力合格。

采用PARSTAT 2273電化學(xué)工作站測(cè)量試樣在3.5% NaCl溶液中的極化曲線。采用三電極體系，以純鋁板及拋光前后的電鍍鋁試樣作為工作電極(暴露面積約為1 cm2)，鉑電極作為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，掃描速率為1 mV/s。

根據(jù)HB 5830.12–1986《機(jī)載設(shè)備環(huán)境條件及試驗(yàn)方法 鹽霧》，在Q-Lab公司的Q-FOG循環(huán)腐蝕試驗(yàn)箱中進(jìn)行中性鹽霧(NSS)試驗(yàn)，腐蝕介質(zhì)為5% NaCl溶液，溫度(35 ± 2) °C，pH 6.5 ～ 7.2，80 cm2的沉降率為1 ～ 2 mL/h，試樣與垂直方向呈15° ～ 30°角，采用連續(xù)噴霧方式，試驗(yàn)周期為96 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀和形貌

從圖1可知，未拋光及拋光后的鍍層顏色都比較均一，但未拋光的鋁鍍層為無(wú)光的白色，拋光后的鋁鍍層則呈現(xiàn)銀白色的金屬光澤。通過比較視頻顯微鏡照片可知，在相同的測(cè)試條件下，未拋光電鍍鋁層的照片較昏暗，而拋光后的照片亮度較高。拋光后鍍層在不同入射光角度下的光澤度均高于未拋光鍍層的光澤度(見表1)。因此，機(jī)械拋光可以改善鋁鍍層外觀，顯著提高其光澤度。

2.2 微觀形貌及粗糙度

圖1 機(jī)械拋光前后電鍍鋁層的實(shí)物照片和視頻顯微鏡照片F(xiàn)igure 1 Digital photos and video microscopic images of electroplated aluminum coating before and after mechanical polishing

表1 機(jī)械拋光前后電鍍鋁層的光澤度Table 1 Glossiness of electroplated aluminum coating before and after mechanical polishing

圖2 機(jī)械拋光前后電鍍鋁層的SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM images of electroplated aluminum coating before and after mechanical polishing

由圖2可知，未拋光的鋁鍍層中的晶粒之間有明顯的界限和較大的空隙。機(jī)械拋光后，鋁鍍層表面的晶粒發(fā)生一定程度的變形，凸出部分被磨平，部分晶粒之間的空隙得到填充。測(cè)得基體及拋光前后鋁鍍層的表面粗糙度分別為1.59、1.64和0.82 μm，未拋光鍍層的表面粗糙度與基體相比略有上升，但拋光后鍍層表面粗糙度降低了50%?？梢姍C(jī)械拋光可以改善鋁鍍層的平整性，降低其表面粗糙度。

2.3 厚度

從表2可知，機(jī)械拋光會(huì)造成鍍層厚度減小，這可能是拋光帶對(duì)鋁鍍層的磨損及外加壓力對(duì)鋁鍍層的壓實(shí)共同作用的結(jié)果；但減小的幅度都在1.5 μm以內(nèi)。

表2 機(jī)械拋光前后電鍍鋁層的厚度變化Table 2 Variation in thickness of aluminum coatings treated by mechanical polishing

2.4 結(jié)合力

由圖3可知，未拋光和已拋光的鋁鍍層均未出現(xiàn)起皮和脫落，說明鋁鍍層與基體之間有很好的結(jié)合力，機(jī)械拋光未對(duì)鍍層結(jié)合力產(chǎn)生不良影響。

圖3 未拋光及機(jī)械拋光的電鍍鋁層經(jīng)劃痕試驗(yàn)后的照片F(xiàn)igure 3 Scratch photos of aluminum coatings without post-treatment or treated by mechanical polishing

2.5 耐蝕性

2.5.1 電化學(xué)測(cè)量

采用電化學(xué)工作站自帶的軟件對(duì)圖4進(jìn)行擬合得到純鋁板、未拋光和拋光后鋁鍍層在3.5% NaCl溶液中的腐蝕電位分別為?1.12、?1.13 和?1.15 V，腐蝕電流密度分別為 6.21 × 10?6、7.79 × 10?5和 8.97 ×10?5A/cm2。相比于純鋁板，電鍍鋁層因不如其致密，故腐蝕電流密度有一定增大，但腐蝕電位幾乎沒有改變；相比于拋光前，拋光后的鋁鍍層僅腐蝕電流密度有輕微增大。由此可見，電鍍鋁層的電化學(xué)性質(zhì)與純鋁板相近，機(jī)械拋光對(duì)耐蝕性的影響甚微。

圖4 純鋁板、未拋光及機(jī)械拋光的電鍍鋁層在3.5% NaCl溶液中的極化曲線Figure 4 Polarization curves for pure aluminum plate, electroplated aluminum coating with and without mechanical polishing in 3.5% NaCl solution

2.5.2 中性鹽霧測(cè)試

目前尚無(wú)統(tǒng)一的電鍍鋁層質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)內(nèi)對(duì)電鍍鋁層的耐蝕性要求為：在中性鹽霧試驗(yàn)環(huán)境下，5 ～ 8 μm厚的未鈍化鍍鋁鋼在96 h之內(nèi)不得出現(xiàn)紅銹。如圖5所示，經(jīng)過96 h中性鹽霧試驗(yàn)之后，拋光和未拋光鍍層上都有部分區(qū)域出現(xiàn)白銹，但均無(wú)紅銹生成。這印證了上述機(jī)械拋光對(duì)鋁鍍層耐蝕性影響不大的觀點(diǎn)。

3 結(jié)論

圖5 未拋光及經(jīng)機(jī)械拋光的電鍍鋁層在NSS試驗(yàn)前后的照片F(xiàn)igure 5 Photos of aluminum coating with and without mechanical polishing after NSS test

通過機(jī)械拋光對(duì) AlCl3?EMIC型離子液體制備的鋁鍍層進(jìn)行后處理，可以在不影響鍍層結(jié)合力及耐蝕性的前提下，顯著降低鍍層的表面粗糙度，提高鍍層的光澤度。該后處理方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，適用于形狀簡(jiǎn)單且對(duì)外觀質(zhì)量有一定要求的零件。

參考文獻(xiàn)：

[1] CHANG J K, CHEN S Y, TSAI W T, et al.Electrodeposition of aluminum on magnesium alloy in aluminum chloride (AlCl3)–1-ethyl-3-methylimidazolium chloride (EMIC) ionic liquid and its corrosion behavior [J].Electrochemistry Communications, 2007, 9 (7): 1602-1606.

[2] EL ABEDIN S Z, GIRIDHAR P, SCHWAB P, et al.Electrodeposition of nanocrystalline aluminium from a chloroaluminate ionic liquid [J].Electrochemistry Communications, 2010, 12 (8): 1084-1086

[3] YUE G K, ZHANG S J, ZHU Y L, et al.A promising method for electrodeposition of aluminium on stainless steel in ionic liquid [J].AIChE Journal, 2009,55 (3): 783-796.

[4] 王喜然, 李國(guó)芝.離子液體中電沉積活潑金屬的研究進(jìn)展[J].電鍍與涂飾, 2011, 30 (12): 1-4.

[5] 詹中偉, 孫志華, 湯智慧, 等.離子鍍鋁與離子液體電鍍鋁涂層性能對(duì)比研究[J].裝備環(huán)境工程, 2017, 14 (5): 74-81.

[6] 李巖, 凌國(guó)平, 劉柯釗, 等.不銹鋼基體室溫熔鹽電沉積鋁[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2009, 43 (7): 1316-1321.

[7] 詹中偉, 孫志華, 湯智慧, 等.后處理對(duì)離子液體電鍍鋁合金涂層耐蝕性能的影響[J].電鍍與精飾, 2015, 37 (11): 1-6.