6061铝合金表面稀土铈盐法处理工艺研究

2018-06-26李波涛何昌协徐志飞

有色金属加工 2018年3期

李波涛，何昌协，徐志飞

(河南同人铝业有限责任公司，河南三门峡 472100)

铝合金以其导热导电性能优异、机械加工性能好、比强度高等优点，广泛应用于汽车工业、造船工业和航空工业等领域[1]。然而，铝合金表面腐蚀问题成为限制其应用的重要因素。为了延长铝合金的使用寿命，提高其抗蚀能力，扩大其应用领域，研究者开发出了铝合金腐蚀防护处理多种技术。铝合金腐蚀防护处理中最简单、最有效的技术是金属表面转化处理技术，主要工艺是通过转化处理技术在金属基体表面形成一层将腐蚀性介质与金属隔开的转化膜，阻止腐蚀性介质渗入到金属基体上，进而降低金属腐蚀速率[2]。

铝合金表面铬酸盐转化工艺十分成熟，经铬酸盐处理后的金属基体表面抗蚀性优异，且具有使用方便、成本低廉、外表美观等优点，得到广泛使用[2]。然而六价铬具有致癌性，会对人体健康和环境保护产生极大危害，因此，无铬转化技术成为铝合金表面处理技术发展方向[3]。目前，铝合金表面无铬转化工艺已取得了积极进展，在应用过程中取得了良好的效果[4]。无铬转化工艺有钛酸盐转化、锆酸盐转化、高锰酸盐转化、钼酸盐转化等处理工艺[5-8]。稀土金属盐转化工艺，作为一种新兴无铬转化技术国内研究报道不多，本文作者采用稀土盐Ce(NO3)3·6H2O作为主盐、H2O2为强氧化剂，研究出新型6061铝合金无铬转化工艺，并对其转化后的耐腐蚀性能进行分析。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用6061铝合金，将其切成30mm×30mm×3mm的试样；试样制备工艺流程为，试片打磨→脱脂→热水洗→冷水洗→碱蚀→去离子水洗→光亮酸蚀→去离子水洗→吹干→转化→水洗→自然晾干。其合金元素成分(质量分数，%)为，Si 0.4～0.8，Fe 0.70 ，Cu 0.15～0.4，Mn 0.15，Mg 0.8～1.2，Cr 0.04～0.35，Zn 0.25，Ti 0.15，A1余量。

1.2 正交试验设计

选定稀土金属盐Ce(N03)3·6H2O(主盐)和H2O2(强氧化剂)作为制备转化膜的处理液，经研究分析得出，处理液pH、Ce(N03)3·6H2O浓度、H2O2浓度、成膜时间、成膜温度这5个因素对膜的性能有重要影响。因此，采用Ll6(45)正交表，安排了五因素四水平正交试验对转化工艺进行优化(表1)。以膜的耐腐蚀性和膜厚作为判断的指标，通过极差计算来分析这5个因素对膜层性能的影响，确定成膜的最佳工艺参数。

表1 Ll6(45)正交试验因素水平表

1.3 转化膜性能评定

(1)抗蚀性能测试。点滴试验是在转化膜表面滴下一滴检测溶液，与此同时启动秒表，观察并记录转化膜表面点滴液的颜色由黄变为绿的时间。评判方法是记录的时间越长，则膜层的抗蚀性能越好。点滴试验用溶液成分及其含量为，重铬酸钠3g，去离子水75 mL，浓盐酸25 mL。

(2)转化膜膜厚测定。采用TT240数字式涂层测厚仪测定转化膜的厚度，在每个试样的表面随机选取8个点进行转化膜厚度的测量，并计算出平均膜厚。

2 结果与讨论

2.1 正交试验数据分析

表2和表3所示分别为正交试验数据和正交试验结果。

表2 Ll6(45)正交试验数据表

表3 正交试验处理结果

采用极差分析法来分析正交试验结果，根据极差值的大小可知，各因素对膜厚影响重要性顺序由小到大依次为：处理液pH<成膜时间

由表2和表3可以看出转化膜膜厚随着Ce(N03)3·6H2O浓度的升高而先升高后降低，其抗腐蚀性能在15g·L-1时达到最好，但此时的膜厚并不是最厚。综上所述，可确定Ce(N03)3·6H2O的最佳浓度为15g·L-1。

H2O2能够促进6061铝合金快速且均匀地成膜，是稀土转化的良好促进剂。由表2和表3可知，转化膜膜厚随着H2O2浓度的升高而逐渐增加，其抗腐蚀性能在4 mL·L-1时达到最好。由此可知，提高H2O2的浓度，转化膜膜厚及其抗蚀性能也相应提高，但浓度太大时会使得转化膜由金黄色变为棕褐色。综上所述，可确定H2O2的最佳浓度为4 mL·L-1。

由表2和表3还可以看出，随成膜时间的延长，转化膜的耐点滴时间亦逐渐增加，其抗蚀性在时间达到10 min时最好，随着成膜过程的继续，转化膜的抗蚀性又逐渐下降。可能是因为在时间较短时，转化膜的形核还来不及长大，形成的转化膜又薄又疏松，抗蚀性比较差；随着成膜时间的延长，膜层变厚且均匀致密，布满在铝合金基体表面，其抗蚀性也不断提高；超过10 min后，由于是在已形成的转化膜上继续反应，生成了疏松粗大的多孔膜，使得转化膜的孔隙率增大，反而使转化膜的抗蚀性减弱。综上所述，在本工艺条件下的最佳成膜时间为10 min。

2.2 单因素试验结果与分析

正交试验分析6061铝合金转化液的最佳配方及工艺参数是，Ce(N03)3·6H2O浓度为15g·L-1，H2O2浓度为4g·L-1，处理时间是10 min。在此基础上，用单因素试验法研究不同成膜温度和不同处理液pH对转化膜膜厚以及抗蚀性的影响。

2.2.1 成膜温度对转化膜厚度、抗蚀性的影响

图1为成膜温度对耐点滴时间和膜厚度的影响。由图1可知，当温度为30℃时，由于温度较低，成膜速率慢，金属基体表面不能形成完整的转化膜，此时转化膜抗蚀性较差；随着温度升高，成膜速率加快，转化膜膜厚增加，温度在35℃时，转化膜耐点滴时间为230s，达到峰值，此时抗蚀性能最优。温度在35℃～60℃时，随着转化膜厚度的增加，抗蚀性反而降低，这是因为温度过高，成膜速率过快，使得形成的转化膜疏松粗大且多孔，转化膜的结合力和致密性都变差。因此，最佳的成膜温度为35℃。

2.2.2 pH对转化膜厚度、耐蚀性的影响

图2为不同pH条件下转化膜的耐点滴时间和膜厚度。由图2可知，当pH在1.5～2.5之间时，剧烈的溶解反应导致了转化膜的形核和生成难以顺利进行，致使膜层不够致密，抗蚀性也不太理想；当处理液pH>3.5时，溶液中氢氧根离子浓度逐渐升高，其与铈离子形成铈的氢氧化物的速率亦加快，进而导致成膜速率下降，转化膜厚度也下降，其抗蚀性能变差；当处理液pH=3.5时，转化膜膜层较厚，抗蚀性也最好。因此最佳的处理液pH为3.5。