鋁合金陽(yáng)極氧化后處理工藝及涂層耐蝕性研究

薛笑莉，宋政偉

(太原工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與化工系，山西 太原 030008)

鋁合金作為陽(yáng)極在通電下會(huì)轉(zhuǎn)化成一層氧化膜，這層氧化膜比在自然狀態(tài)下形成的氧化膜更加的致密、質(zhì)地更加的硬、耐蝕效果更好[1]。鋁合金在陽(yáng)極氧化后表面會(huì)呈現(xiàn)出多孔的狀態(tài)[2]，大量的微孔結(jié)構(gòu)單元使得鋁合金材料暴露在環(huán)境的有效表面積大大增加，這將很有利于腐蝕介質(zhì)的侵入，腐蝕的速度也大為增加。因此，要想提高鋁合金材料的耐蝕性能就必須對(duì)其進(jìn)行封孔處理[3-5]。

目前在我國(guó)可以大規(guī)模操作的封孔工藝仍然是重鉻酸鹽封孔法[6]，但這種工藝的使用產(chǎn)生所重金屬離子鉻對(duì)環(huán)境有較大的污染[7-9]，而且鋁合金建材在使用過(guò)程中對(duì)人體健康產(chǎn)生有害的影響。因而研發(fā)無(wú)重金屬離子鉻、能耗又小的綠色氧化膜封孔工藝將具有極大的社會(huì)效益[10]。

本課題擬開(kāi)發(fā)一種鋁合金陽(yáng)極氧化綠色后處理工藝，探究不同的工藝條件對(duì)鋁合金陽(yáng)極氧化膜封孔后的耐蝕的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與設(shè)備

氧化鎂，磷酸，氯化鈉，鋁合金6061，馬弗爐，掃描電鏡(JSM7200F，日本電子)，電化學(xué)工作站(PMC2000，普林斯頓)，熱重分析儀。

1.2 鋁合金的陽(yáng)極氧化及后處理

實(shí)驗(yàn)流程：打磨-除油-酸活化-陽(yáng)極氧化-封孔-熱處理。

將切割好的鋁合金試片先用240目的砂紙打磨消除試片上的毛刺，再用600目的砂紙打磨至平整，再用1500目的砂紙打磨至光滑，用50 g/L氫氧化鈉溶液除油，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硝酸進(jìn)行酸活化，其目的是有效的保持良好的活化表面，確保氧化膜的質(zhì)量。前處理后的試樣進(jìn)行氧化處理，采用恒電流方式進(jìn)行陽(yáng)極氧化，所采用的陽(yáng)極氧化電解液為40 g/L硫酸，8 g/L硼酸，少量硅溶膠，氧化溫度25℃，氧化30min。

封孔溶液的配置：封孔采用磷酸鹽溶液封孔法。先稱取磷酸19.63 g于燒杯中，將燒杯放入85℃水浴鍋中，再稱取2.00 g氧化鎂，待磷酸加熱至80℃左右時(shí)，開(kāi)始加入氧化鎂，每次加熱少許的氧化鎂，并不斷的攪拌，待氧化鎂溶解后，再加入少許的氧化鎂，直到將所有的氧化鎂都加入磷酸中并充分溶解。再加入55 mL的去離子水，加入少量硅溶膠，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的磷酸鹽溶液。將前處理好的試樣放入配好的封孔溶液中，提拉方式進(jìn)行封孔處理，待試樣表面自然干燥后，放入250℃的馬弗爐中，熱處理30min，取出測(cè)定試樣的性能。

1.3 涂層性能的檢測(cè)

主要檢測(cè)試樣的表面形貌、表面成分及耐蝕性。具體的操作方法有交流阻抗法、極化曲線法、掃描電鏡、能譜分析等，以此來(lái)確定涂層的耐蝕性能、表面形貌、組成元素。電化學(xué)方法測(cè)定耐蝕性時(shí)所用的溶液為3.5%氯化鈉溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

在掃描電鏡下觀測(cè)了在最佳工藝條件下處理的鋁合金試片顯微結(jié)構(gòu)形貌。圖1中a、b、c分別是鋁基體陽(yáng)極氧化膜和250℃下封孔的試片在不同放大倍數(shù)下的顯微形貌。從圖1中可以明顯看出，鋁合金經(jīng)陽(yáng)極氧化后表面不平整而且充滿了孔洞，與封孔過(guò)后的形貌相比差別較大。經(jīng)封孔過(guò)后的鋁合金試片在掃描電鏡下可以明顯看到表面幾乎沒(méi)有孔洞，封孔效果較好，在高倍鏡下可以明顯看到表面被大量的白色顆粒物質(zhì)已封住孔洞且比較均勻，初步判斷這些大量的白色顆粒為磷酸鹽晶體顆粒。

a：未封孔；b：封孔試樣；c:封孔試樣在8000倍下的掃描電鏡形貌

圖1 鋁合金陽(yáng)極氧化膜及最佳工藝條件下封孔的試片的表面形貌

2.2 表面成分分析

為了進(jìn)一步研究表面形成的晶體的成分，實(shí)驗(yàn)采用EDS對(duì)晶體進(jìn)行元素分析。分析結(jié)果見(jiàn)圖2，從圖中可以看出，后處理前，表面氧化膜成分主要是氧和鋁，少量硅，硫元素有可能是氧化后殘留的電解液中的硫。后處理后，出現(xiàn)了鎂元素和磷元素，氧和硅的相對(duì)含量增加，封孔溶液主要成分為二氧化硅和磷酸二氫鎂，為了進(jìn)一步確認(rèn)熱處理后表面層的具體組成，又做了熱重分析。

a：未封孔；b:封孔

圖2 后處理前后表面EDS圖譜

熱重分析曲線見(jiàn)圖3，從圖中可以算出，加熱到250℃后，磷酸二氫鎂的失重率約為92%，對(duì)應(yīng)失去一分子水，生成酸性焦磷酸鎂，所以熱處理后表面的主要成分為酸性焦磷酸鎂和二氧化硅。

圖3 封孔劑熱重曲線

2.3 耐蝕性分析

圖4 鋁合金基底、未封孔的、封孔的試片 在3.5%氯化鈉溶液中的交流阻抗譜圖

將鋁合金基底、未封孔的試樣與在最佳工藝條件下處理好的試樣分別進(jìn)行交流阻抗實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4三個(gè)交流阻抗圖譜中可以看出，三者的交流阻抗譜圖差別非常大。圖中所顯示圖形近似半圓，而且三者的直徑相差較大。直徑的大小 能直接說(shuō)明試樣的耐蝕性能的大小。從圖中就可以看出鋁合 金基底的交流阻抗圖的直徑明顯小于未封孔試樣的，而且相差 特別大，這就說(shuō)明經(jīng)未封孔( 陽(yáng)極氧化) 的試片的耐蝕性比鋁合 金基底的耐蝕性大了很多，進(jìn)而說(shuō)明經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化在試樣表面 形成的氧化膜對(duì)鋁合金試片有較好的保護(hù)作用; 經(jīng)封孔處理的 試樣的交流阻抗圖的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未封孔處理的，說(shuō)明封孔可 以起到進(jìn)一步提高氧化膜的耐蝕性。

3 結(jié)論

鋁合金陽(yáng)極氧化處理后，表面會(huì)形成一些孔洞，封孔處理后，表面孔洞減少，在氧化層表面形成一層磷酸鹽層，該層磷酸鹽層主要元素組成為Mg，P，O，Si，主要成分焦磷酸鎂和二氧化硅。通過(guò)電化學(xué)測(cè)試，封孔后的試樣的耐蝕性得到了提高，說(shuō)明該封孔工藝適合于鋁合金陽(yáng)極氧化封孔處理。