鋁合金稀土鹽鈍化工藝研究

王春霞，周 雅，曹經倩，邵志松

(南昌航空大學材料科學與工程學院，江西南昌 330063)

鋁合金稀土鹽鈍化工藝研究

王春霞，周 雅，曹經倩，邵志松

(南昌航空大學材料科學與工程學院，江西南昌 330063)

傳統的鋁合金鉻酸鹽鈍化工藝對人體和環境有毒副作用，研究了一種以Ce(NO3)3·4H2O為主鹽，KMnO4為氧化劑，Sr(NO3)2·4H2O為促進劑的環保型稀土鹽鈍化工藝;并通過正交試驗優化了鈍化液配方和工藝參數。結果表明:在10 g/L Ce(NO3)3·4H2O、2 g/L KMnO4、0.6 g/L Sr(NO3)2·4H2O，室溫條件下可以在鋁合金表面形成金黃色的鈍化膜，該鈍化膜168h中性鹽霧試驗耐蝕等級為8級。

鋁合金;稀土鹽鈍化;工藝;耐蝕性

引言

鋁合金表面的化學轉化膜工藝大體可以分為兩種:一種是鉻酸鹽鈍化處理法，一種是非鉻酸鹽鈍化處理法。雖然鉻酸鹽鈍化處理具有許多優越之處，但是由于Cr(Ⅵ)毒性高，易致癌，對環境污染大，許多國家已經嚴格限制鉻酸鹽的使用與排放，并且隨著歐盟ROHS指令的生效使得鉻酸鹽在金屬表面處理中的使用受到極大的限制。因此，研制新型無鉻鈍化工藝取代傳統鉻酸鹽鈍化十分必要。

本文采用正交試驗對LF1鋁合金稀土鹽鈍化工藝的配方和操作條件進行優化，研究各參數對鈍化膜的生長速度、外觀等因素的影響，并采用點滴試驗和中性鹽霧試驗研究膜層的耐蝕性，旨在取代鉻酸鹽鈍化工藝。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗采用LF1鋁合金作為實驗材料，其尺寸為60mm×25mm×1mm，實驗材料具體成分如下: 0.40%Si、0.40%Fe、0.10%Cu、0.40%～1.00% Mn、4.00%～4.90%Mg、0.25%Zn、0.15%Ti、0.05%～0.25%Cr，其余為鋁。

1.2 工藝流程

試樣準備→打磨→堿性除油→熱水洗→冷水洗→堿蝕→水洗→出光→水洗→化學鈍化處理→水洗

1.3 鈍化工藝的設計

1)基礎配方篩選

根據相關資料報道［1-5］，采用不同的成膜主鹽與氧化劑進行實驗，對主鹽CeCl3·7H2O、Ce(NO3)3·4H2O、Ce(SO4)2·4H2O和五種氧化劑H2O2、KMnO4、NH4S2O8·3H2O、Na2MoO4·2H2O、KMnO4+ NH4S2O8按一定的比例配成溶液進行鈍化試驗，通過初步考察成膜外觀、色澤、均勻性、面密度及溶液穩定性等來選擇主鹽與氧化劑，并建立基礎配方。

實驗發現，性能最好的主鹽和氧化劑分別是Ce(NO3)3·4H2O和KMnO4。

2)正交試驗的設計

為了進一步優化基于Ce(NO3)3·4H2O、KMnO4的鈍化處理液含量組成與成膜溫度，采用L9(34)正交表安排四因素、三水平共9組試驗進行稀土鹽轉化膜優化工藝的篩選，以鈍化膜的耐蝕性能與面密度兩因素作為主要判斷指標，通過極差計算，分析這四個因素對膜層性能的影響，優化稀土轉化膜的處理工藝。L9(34)正交試驗因素水平設計如表1所示。

3)成膜時間的優化

在以上正交實驗所確定的優化配方基礎上，采用單因素實驗法，研究不同成膜時間對鈍化膜的形貌、厚度、耐腐蝕性能的影響，從而優化工藝時間。

1.4 轉化膜性能測試

1)面密度的測試

單位面積上的膜質量(g/m2)即為面質量。其中，脫膜液配方［4］如下:35mL/L H3PO4、20g/L CrO3，θ=95～100℃，t=5～6 min。

2)耐蝕性的測試

點滴試驗法:按HB5060-77標準進行;中性鹽霧試驗法:按HB5830進行。

表1 L9(34)正交試驗表設計

2 結果與討論

2.1 正交試驗結果與分析

按照表1進行正交試驗，L9(34)正交試驗結果見表2。其中Fij、Kij分別表示第i因素j水平狀態下所對應的面質量、耐腐蝕點滴時間的指標值總和。

由表2可知，影響面質量的因素順序為D＞B＞A＞C，溫度對膜厚的影響最大，其次是KMnO4，而Ce(NO3)3·4H2O對膜厚的影響相對較小，Sr(NO3)2·4H2O2作為成膜促進劑則對膜厚幾乎無影響。

影響耐點滴(試驗)時間的因素順序為A＞B＞C＞D，其中，Ce(NO3)3·4H2O作為成膜主鹽在槽液中占主體地位，對膜層的耐蝕性能影響最大; KMnO4作為氧化劑對膜層耐蝕性影響也比較大;而Sr(NO3)2·4H2O作為成膜促進劑在加快成膜速度的同時也可提高膜層的耐蝕性;溫度對膜層耐蝕性的影響則相對較小。綜合考慮最佳組合為:10 g/L Ce(NO3)3·4H2O、2g/L KMnO4、0.6g/L Sr(NO3)2·4H2O、θ為室溫。

2.2 單因素試驗結果與分析

單因素試驗:在正交試驗所獲得的最佳工藝配方(10g/L Ce(NO3)3·4H2O、2g/L KMnO4、0.6g/L Sr(NO3)2·4H2O，室溫)條件下，研究不同成膜時間對轉化膜性能的影響，其影響見下表3。綜合考慮膜層性能和外觀質量，成膜時間取15 min為佳。

表2 L (34)正交試驗結果

表3 氧化時間對轉化膜的影響

2.3 中性鹽霧試驗結果

將經鈍化處理的稀土鹽轉化膜(5片)，按HB5830進行中性鹽霧試驗，觀察腐蝕試驗時間后膜層的表面狀態。

結果表明，鹽霧試驗96h后，鈍化膜表面黃色基本消失，，但表面無白色腐蝕點，120h、140h繼續觀察，鈍化膜表面仍然未出現明顯的白色腐蝕點，鈍化膜經168h鹽霧試驗后，膜層開始出現白色的腐蝕產物，按HB5830中性鹽霧試驗的標準判斷，該鈍化膜的耐蝕等級為8級，而未經處理的鋁合金試片48h就出現了大量白銹，

3 結論

優化的LF1鋁合金稀土鹽鈍化工藝為10g/L Ce(NO3)3·4H2O、2g/L KMnO4、0.6g/L Sr(NO3)2· 4H2O，θ=室溫、t=15min。根據正交試驗和單因素實驗結果表明:Ce(NO3)3· 4H2O作為成膜主鹽對膜層的耐蝕性能影響最大，溫度對膜厚的影響最大，Sr(NO3)2·4H2O作為成膜促進劑則對膜厚幾乎無影響，Sr(NO3)2·4H2O作為成膜促進劑，在加快成膜速度的同時也可提高膜層的耐蝕性。

優化的稀土鹽鈍化工藝可在LF1鋁合金表面上生成完整、連續的黃色鈍化膜，168h中性鹽霧試驗結果表明，該鈍化膜的耐蝕等級為8級。

［1］劉伯生.鋁及鋁合金上鈰轉化膜的研究［J］.材料保護，1992，25(5):16-19.

［2］陳根香，曹經倩，吳純素.鋁合金上鈰氧化膜形成的電化學研究［J］.材料保護，l995，28(3):l-3.

［3］鄒洪慶.鑄鋁合金鋯系非鉻化學成膜處理工藝應用［J］.材料保護，2001，34(2):29-30.

［4］陳朔，陳曉帆，劉傳燁，等.鋁合金表面稀土轉化工藝研究［J］.材料保護，2003，8(8):3，33-36.

［5］李鑫慶，陳迪勤.化學轉化膜技術與應用［M］.武漢:機械工業出版社.2005:78-81.

Investigation on Rare Earth Salt Passivation Technology for Aluminum Alloy

WANG Chun-xia，ZHOU Ya，CAO Jing-qian，SHAO Zhi-song
(School of Material Science＆Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

In order to seek a substitute for the traditional passivation process using hazardous chromate，an environment friendly passivation technology with Ce(NO3)2·4H2O as main salt，KMnO4as oxidation agent and Sr(NO3)2·4H2O as acceleration agent for aluminum alloy was developed.The passivation solution formulation and technological parameters were optimized using orthogonal test method.The experimental results showed that a golden passivation film on LF1 aluminum alloy surface could be obtained at passivation solution composition of 10g/L Ce(NO3)2·4H2O，2g/L KMnO4and 0.6g/L Sr(NO3)·4H2O and at operating condition of room temperature.The corrosion resistance of the passivation film in 168h neutral salt spray test was ranked grade 8.

aluminum alloy;rare earth salt passivation;technology;corrosion resistance

TQ174.45

:A

1001-3849(2010)10-0031-03

2010-03-08

:2010-05-24