環(huán)保型鋁合金寬溫氧化工藝及性能研究

李 丹，任玉寶，劉昌明，趙懷鵬，張 弟

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003)

鋁合金是現(xiàn)代工業(yè)化應(yīng)用最廣泛的金屬材料之一，具有強度高、密度低、塑性強、韌性好等特性，當前已在軌道交通及航空航天領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1-4]。鋁合金在應(yīng)用前需經(jīng)表面處理以提高基體耐蝕性及觀賞性，硫酸陽極氧化是常見的表面處理方法[5]。由于氧化過程放熱，隨反應(yīng)的持續(xù)，電解液的溫度會越來越高。電解液升溫加速了氧化膜的溶解，破壞了氧化膜生長與溶解平衡，制備的氧化膜常存在疏松，易粉化，耐蝕性差等質(zhì)量問題[6]。因此，維持電解液溫度恒定是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵要素之一。

針對這一問題，很多鋁企對氧化槽配備冷卻系統(tǒng)，采用制冷機或循環(huán)冷卻水對電解液降溫。但因槽液量一般較大，降溫效果并不顯著，且成本較高。為使陽極氧化膜可在較高溫度下正常生成，且保持原膜層的各項性能，寬溫陽極氧化開始被眾多企業(yè)及科研院所研究[7-9]。當前研究的熱門是向電解液中加入添加劑，通過添加劑對氧化膜的溶解抑制作用，從而減緩電解液對氧化膜的溶解速度，確保所制備氧化膜性能達標[10-12]。當前，向硫酸電解液中添加草酸、酒石酸進行氧化是最常見的寬溫氧化方法，此法存在成膜效率低的問題。本文將以一種新型混酸作為電解液實現(xiàn)寬溫氧化,并對氧化膜性能與傳統(tǒng)寬溫氧化膜性能進行對比研究。

1 實驗部分

1.1 基體材料

本研究所選用鋁合金為6060-T6鋁合金板材，試樣尺寸100mm×45mm×2mm；化學成份(質(zhì)量分數(shù)，%)為，Mg 0.45，Cu 0.02，Zn 0.01，F(xiàn)e 0.2，Si 0.45，Zr 0.05，Ti 0.05，Mn 0.05，Al 98.72。

1.2 工藝流程

試樣陽極化工藝流程為，脫脂—水洗—酸蝕—水洗—堿蝕—水洗—水洗—中和—水洗—純水洗—陽極氧化—水洗—純水洗—封孔。陽極化采用的工藝參數(shù)見表1。

表1 陽極化工藝參數(shù)

1.3 測試方法

(1)氧化膜形貌。采用目視法觀察三種氧化板宏觀表面形態(tài)，采用SEM觀測三種氧化板微觀表面形貌。

(2)耐蝕性。中性鹽霧試驗，執(zhí)行GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗-鹽霧試驗》。鹽霧設(shè)備型號Q-fog/CRH600，測試要求試樣鹽霧正面與垂直方向呈30°，箱內(nèi)溫控35℃±1℃，氯化鈉濃度50g/L±5g/L, pH值6.5 ～ 7.2。觀察每個實驗周期結(jié)束(480h、720h、960h)后試樣腐蝕狀況。

磷鉻酸失重實驗，執(zhí)行GB/T 8753.1-2017《鋁及鋁合金陽極氧化氧化膜封孔質(zhì)量的評定方法-第1部分：酸浸蝕失重法》。實驗前按標準配置硝酸溶液及磷鉻酸溶液，實驗時先將稱重后的試樣浸入溫度為 19℃±1℃的硝酸溶液中10min，取出后蒸餾水洗凈吹干，將試樣浸入溫度為 38℃±1℃的磷鉻酸溶液中15min，然后取出試樣將蒸餾水吹干后立即稱重，前后兩次稱重質(zhì)量差作為失重指標，失重指標低于30mg/dm2為合格，數(shù)值越小說明膜層耐蝕性越好。

(3)附著力及硬度。百格實驗，執(zhí)行GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》，首先對三種氧化膜試樣進行粉末噴涂，然后對噴涂膜進行附著力等級測試。硬度測試，執(zhí)行GB/T 4340-2009《金屬維氏硬度試驗》，對三種氧化膜進行硬度測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化膜形貌

經(jīng)目視法觀察，三種氧化膜膜層透明、光亮，厚度均勻，無氧化缺陷。三種氧化膜表面SEM形貌圖如圖1所示?？梢钥闯?，硫酸氧化膜表面局部凹凸不平，較明顯。常規(guī)寬溫氧化膜表面與新型寬溫氧化膜表面形貌相近，均相對平整，存在輕微凹凸，說明寬溫氧化工藝不僅拓寬了氧化溫度范圍，同時改善了氧化膜粗糙的問題。分析該現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與硼酸、酒石酸的引入有關(guān)，這兩種物質(zhì)在鋁合金陽極氧化過程中吸附于陽極表面形成吸附膜，此膜對電解液的溶膜有一定阻礙作用，使溶膜過程更加平穩(wěn)，最終產(chǎn)生均勻的微觀表面。

圖1 三種氧化膜的SEM形貌圖Fig.1 SEM morphology of three oxide films

2.2 耐蝕性

三種氧化膜的中性鹽霧試驗結(jié)果見表2。由表可知，三種氧化膜均具備較好耐蝕性，中性鹽霧480h時，鹽霧試驗面未出現(xiàn)任何腐蝕。鹽霧試驗進行至720h時，硫酸氧化膜仍未出現(xiàn)任何腐蝕；兩種寬溫氧化膜光亮度下降，但未出現(xiàn)腐蝕。鹽霧試驗進行至960h時，硫酸氧化膜局部出現(xiàn)明顯點腐蝕；兩種寬溫氧化膜光亮度進一步變差，但未出現(xiàn)腐蝕點、腐蝕坑等現(xiàn)象。綜上所述，鋁合金經(jīng)寬溫氧化后耐蝕性更好，兩種寬溫氧化膜外觀接近，耐蝕性相當，均可耐受中性鹽霧試驗960h而不出現(xiàn)腐蝕點。

表2 三種陽極氧化膜中性鹽霧試驗結(jié)果

磷鉻酸失重測試法是檢測封孔后氧化膜耐蝕性的常用方法，簡單有效。表3為三種鋁合金氧化膜磷鉻酸失重測試數(shù)值表。可以看出，三種氧化膜以磷鉻酸失重質(zhì)量來評價膜層耐蝕性能優(yōu)劣的順序是：新型寬溫氧化膜>傳統(tǒng)寬溫氧化膜>硫酸氧化膜。新型寬溫氧化膜質(zhì)量損失最少，故其膜層耐蝕性最佳。分析新型寬溫氧化中硼酸對陽極的保護作用使得氧化膜生長更加致密，耐蝕性能也較傳統(tǒng)寬溫氧化更為突出。

表3 三種鋁陽極氧化膜的磷鉻酸實驗失重測試表

2.3 附著力及硬度

首先對三種氧化膜粉末靜電噴涂處理，后采用百格法對噴涂膜層進行附著力測試，測試結(jié)果顯示三種噴涂膜均具有良好的結(jié)合力，依據(jù)GB/T9286-1998評級均為0級。

經(jīng)測試，硫酸氧化膜顯微硬度為404HV，傳統(tǒng)寬溫氧化膜顯微硬度為362HV，新型寬溫氧化膜顯微硬度為395HV。相比較，傳統(tǒng)寬溫氧化后的氧化膜硬度明顯低，新型寬溫氧化膜硬度與傳統(tǒng)硫酸氧化膜相差較少，具備較強硬度。

3 結(jié)論

鋁合金寬溫氧化技術(shù)是鋁加工行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本的重要手段。本文以混合一定濃度的硫酸、酒石酸、硼酸作為陽極氧化電解液，通過控制電解液配比、反應(yīng)溫度、電流密度等參數(shù)，成功開發(fā)出鋁合金寬溫氧化工藝。以此寬溫氧化工藝可制備性能較好的氧化膜。其膜層透明，微觀形貌平整、起伏度小；耐蝕性優(yōu)越，中性鹽霧試驗960h無腐蝕，磷鉻酸失重實驗失重指標為2.6mg/dm2；附著力較好，百格實驗后標準評級0級；硬度值高，顯微硬度測試結(jié)果為395HV，較傳統(tǒng)寬溫氧化膜硬。相較于傳統(tǒng)寬溫氧化工藝，新工藝所用電解液較環(huán)保，可降低環(huán)境污染。