銅合金表面復合稀土鹽轉化新工藝

呂雪飛，劉　爽**，甘樹坤

(1.吉林化工學院 機電工程學院，吉林 吉林 132022;2.吉林化工學院 汽車工程學院，吉林 吉林 132102)

銅合金具有良好的力學性能、熱塑性、易切削及易焊接性，被用于制造閥門、水管、空調內外機連接管和散熱器等.但在濕度較高、腐蝕性介質中，容易發生嚴重的腐蝕[1]，導致銅合金工件使用壽命大大減短.采用表面鈍化成膜技術是銅及合金表面防腐蝕的一種經濟有效的方法.近年來稀土鹽被廣泛應用，而對銅合金工件表面的稀土轉化膜的研究工作還僅限于對單一稀土鈍化工藝過程等方面的初步研究中.本文將通過正交試驗獲得雙稀土鈍化新工藝，通過對銅合金工件表面進行處理，在其表面形成雙稀土轉化膜，并對耐蝕性進行評價.

1　實驗部分

1.1　試件材料及流程

本實驗所用試件為H62黃銅(市售)，即Cu-Zn合金，主要化學成分(Wt%)：61.811%Cu，35.662%Zn，其余為雜質.

線切割黃銅板狀試樣尺寸為25 mm×10 mm×2 mm，頂側打2 mm孔徑便于懸掛.

處理工藝流程為：碳化硅砂紙打磨拋光→蒸餾水流動水洗→超聲波清洗→化學除油→流動水洗→化學拋光→流動水洗→酸洗→流動水洗→ 稀土鈍化 →流動水洗 →吹干備用[2].

1.2　試驗方法

采用化學浸泡法對試樣進行處理，所用試劑均為分析純，復合稀土轉化新工藝條件通過正交試驗獲得.

1.2.1前處理

(1) 研磨拋光：用碳化硅金相砂紙打磨工作面至2000#并用機械拋光以去掉原始金屬表面后水洗吹干.

(2) 化學除油：將干燥好的試樣浸入到化學除油液中除油，其主要試劑成分及工藝[3]見表1.

表1　化學除油過程工藝參數表

(3) 化學拋光：將要使用的試樣放入含有廢銅屑的化學拋光液中，在同一拋光總時間內多次拋光使試樣達到鏡面光亮，其主要試劑成分及工藝[4]見表2.

表2　化學拋光過程工藝參數表

(4) 硫酸預酸洗：將拋光干燥后的試樣浸入到10%硫酸溶液中進行活化以出去合金表面氧化膜，其工藝參數[5]如表3.

表3　酸洗過程工藝參數

1.2.2復合稀土鹽鈍化液配方

以文獻的單一稀土鹽鈍化液配方為依據[5,6]，確定以鑭鹽與鈰鹽比例為主要參數的銅合金表面復合稀土鈍化液最優工藝，其成膜因素及水平見表4.其他成膜因素含量依照單一稀土正交試驗實驗結果取值，分別為：檸檬酸14 g/L，磺基水楊酸10 g/L，表面活性劑0.1 g/L，成膜時間為5 min.

表4　雙稀土成膜因素及水平

1.3　膜層性能測試

根據L9(34)正交試驗表進行了9組實驗，對膜層性能評定標準如下：

根據正交試驗所得的擇優試驗表，對預處理好的試樣進行鈍化處理，并對各組試驗獲得的膜層分析并給予評分，標準如下[6]：

(1) 外觀顏色：鍍膜黃銅表面應是以金黃色為主的彩虹色，膜層應連續完整，無脫脂棉可擦去的褐色及暗黃色疏松膜層.

(2) 表面光亮度：鍍膜黃銅表面應表面光滑高亮度，無大理石狀發霧現象.

2　結果與討論

2.1　正交試驗結果

由表5均值分析，A因素1水平最大，B因素1水平最大，C因素2水平最大，D因素2水平最大，因此由正交試驗獲得的復合稀土鹽最佳配方為：A1B1C2D2，即各因素在復合稀土鈍化液中的參數如表6所示.

表5　復合稀土正交試驗表及其數據分析

表6　正交試驗確定的復合稀土鹽最佳工藝參數

2.2　對比試樣性能測試

利用硝酸點滴試驗對添加雙稀土鹽、單一稀土鹽(硝酸鑭、硝酸鈰)的最優鈍化液及未添加任何稀土鹽鈍化液所得膜層耐蝕性進行檢驗，對比圖如1所示.

鈍化液類型圖1　不同鈍化液處理后試樣耐蝕性

從圖1可以看出，未添加任何稀土鹽的膜層耐硝酸點滴時間僅為10.71S，耐蝕性最差；而添加硝酸鑭鹽膜層耐腐蝕時間為19.1S，硝酸鈰鹽次之，僅為18.47S.添加雙稀土鹽(La/Ce)鹽的膜層耐硝酸點滴時間最長達21.98S，表明該膜層耐蝕性最好.

2.3　對比試樣膜層性能表征

采用JSM-6490LV型掃面電鏡對不同鈍化液配方獲取的轉化膜的形貌進行表征[9-12]，圖2為不同工藝條件下各轉化膜在掃面電鏡放大200倍情況下的形貌對比圖.根據圖片可以看出，單一稀土鑭鹽試樣表面色澤較淡，有不允許存在的麻點缺陷及裂紋、基體裸露；而雙稀土鈍化液膜層表面色澤均勻呈現金黃色，膜層光滑致密，無缺陷存在.

(a) 單一稀土鑭鹽試樣表面

(b) 雙稀土鈍化液膜層表面圖2　不同鈍化液膜層SEM對比圖

3　結　　論

(1) 利用單一稀土鹽鈍化液試驗確定鈍化液基本成分，并由正交試驗獲得的銅合金表面最佳復合稀土鈍化液配方為：La(NO)3·6H2O-4 g/L、Ce(NO)3·6H2O-4 g/L、BTA-14 g/L、Na2MOO4·2H2O-3 g/L、C6H8O7·H2O-14 g/L、C7H7O6S·2H2O-10 g/L、C18H29NaO3S-0.1 g/L、鈍化溫度50 ℃、鈍化時間5 min.

(2) 利用硝酸點滴試驗測試不同鈍化工藝條件下對比膜層的耐蝕性，結果表明：鑭鈰復合稀土轉化膜可明顯提高銅合金表面耐蝕性能，且耐蝕性最強.

(3) 采用掃面電鏡對各膜層形貌進行表征，結果表明：與單一稀土鹽膜層相比，復合稀土轉化膜更為均勻致密，其與基體較強的結合力有效的為銅合金表面提供了腐蝕防護.

參考文獻：

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[2]呂雪飛,李淑英.鑭、苯并三氮唑在黃銅鈍化中的作用[J].材料保護,2014(10)：45-47.

[3]劉貴昌.燃氣冷凝器表面耐蝕材料的制備及腐蝕行為研究[D].大連：大連理工大學,2013.

[4]方景禮.金屬的化學拋光技術 第三部分 銅及銅合金制件的化學拋光[J].電鍍與涂飾,2005(10)：41-46.

[5]甘樹坤,呂雪飛.銅合金表面硝酸鑭稀土鈍化膜的性能研究[J].材料保護,2008(8)：35-37.

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[8]樊良偉.銅合金表面復合型膜層制備及性能研究[D].上海：上海交通大學,2012.

[9]樊良偉.鑭鹽型緩蝕劑對Cu-Zn-Ni銅合金在3.5%NaCl溶液中的緩蝕作用[J].腐蝕與防護,2013(1)：36-41.

[10] 鄭偉.紫銅表面新型無鉻轉化膜的成膜工藝及耐蝕性能研究[D].合肥：合肥工業大學,2012.

[11] 呂雪飛,張世全,甘樹坤.H62銅合金表面稀土鈍化性能研究[J].吉林化工學院學報，2011(11)：58-60.

[12] 甘樹坤,劉爽,呂雪飛.金屬表面耐蝕性稀土轉化膜的研究進展[J].吉林化工學院學報，2017(9)：79-83.