王春霞，周 雅，曹經(jīng)倩，邵志松

(南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jīng)倩，邵志松

(南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西南昌 330063)

傳統(tǒng)的鋁合金鉻酸鹽鈍化工藝對(duì)人體和環(huán)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(jìn)劑的環(huán)保型稀土鹽鈍化工藝;并通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了鈍化液配方和工藝參數(shù)。結(jié)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(yàn)?zāi)臀g等級(jí)為8級(jí)。

鋁合金;稀土鹽鈍化;工藝;耐蝕性

引言

鋁合金表面的化學(xué)轉(zhuǎn)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(yōu)越之處，但是由于Cr(Ⅵ)毒性高，易致癌，對(duì)環(huán)境污染大，許多國(guó)家已經(jīng)嚴(yán)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(wú)鉻鈍化工藝取代傳統(tǒng)鉻酸鹽鈍化十分必要。

本文采用正交試驗(yàn)對(duì)LF1鋁合金稀土鹽鈍化工藝的配方和操作條件進(jìn)行優(yōu)化，研究各參數(shù)對(duì)鈍化膜的生長(zhǎng)速度、外觀等因素的影響，并采用點(diǎn)滴試驗(yàn)和中性鹽霧試驗(yàn)研究膜層的耐蝕性，旨在取代鉻酸鹽鈍化工藝。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用LF1鋁合金作為實(shí)驗(yàn)材料，其尺寸為60mm×25mm×1mm，實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)備→打磨→堿性除油→熱水洗→冷水洗→堿蝕→水洗→出光→水洗→化學(xué)鈍化處理→水洗

1.3 鈍化工藝的設(shè)計(jì)

1)基礎(chǔ)配方篩選

根據(jù)相關(guān)資料報(bào)道［1-5］，采用不同的成膜主鹽與氧化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(jìn)行鈍化試驗(yàn)，通過(guò)初步考察成膜外觀、色澤、均勻性、面密度及溶液穩(wěn)定性等來(lái)選擇主鹽與氧化劑，并建立基礎(chǔ)配方。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(yàn)的設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步優(yōu)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(yàn)進(jìn)行稀土鹽轉(zhuǎn)化膜優(yōu)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(biāo)，通過(guò)極差計(jì)算，分析這四個(gè)因素對(duì)膜層性能的影響，優(yōu)化稀土轉(zhuǎn)化膜的處理工藝。L9(34)正交試驗(yàn)因素水平設(shè)計(jì)如表1所示。

3)成膜時(shí)間的優(yōu)化

在以上正交實(shí)驗(yàn)所確定的優(yōu)化配方基礎(chǔ)上，采用單因素實(shí)驗(yàn)法，研究不同成膜時(shí)間對(duì)鈍化膜的形貌、厚度、耐腐蝕性能的影響，從而優(yōu)化工藝時(shí)間。

1.4 轉(zhuǎn)化膜性能測(cè)試

1)面密度的測(cè)試

單位面積上的膜質(zhì)量(g/m2)即為面質(zhì)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(cè)試

點(diǎn)滴試驗(yàn)法:按HB5060-77標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行;中性鹽霧試驗(yàn)法:按HB5830進(jìn)行。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照表1進(jìn)行正交試驗(yàn)，L9(34)正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。其中Fij、Kij分別表示第i因素j水平狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的面質(zhì)量、耐腐蝕點(diǎn)滴時(shí)間的指標(biāo)值總和。

由表2可知，影響面質(zhì)量的因素順序?yàn)镈＞B＞A＞C，溫度對(duì)膜厚的影響最大，其次是KMnO4，而Ce(NO3)3·4H2O對(duì)膜厚的影響相對(duì)較小，Sr(NO3)2·4H2O2作為成膜促進(jìn)劑則對(duì)膜厚幾乎無(wú)影響。

影響耐點(diǎn)滴(試驗(yàn))時(shí)間的因素順序?yàn)锳＞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(duì)膜層的耐蝕性能影響最大; KMnO4作為氧化劑對(duì)膜層耐蝕性影響也比較大;而Sr(NO3)2·4H2O作為成膜促進(jìn)劑在加快成膜速度的同時(shí)也可提高膜層的耐蝕性;溫度對(duì)膜層耐蝕性的影響則相對(duì)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(yàn)結(jié)果與分析

單因素試驗(yàn):在正交試驗(yàn)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(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化膜性能的影響，其影響見(jiàn)下表3。綜合考慮膜層性能和外觀質(zhì)量，成膜時(shí)間取15 min為佳。

表2 L (34)正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 氧化時(shí)間對(duì)轉(zhuǎn)化膜的影響

2.3 中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

將經(jīng)鈍化處理的稀土鹽轉(zhuǎn)化膜(5片)，按HB5830進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，觀察腐蝕試驗(yàn)時(shí)間后膜層的表面狀態(tài)。

結(jié)果表明，鹽霧試驗(yàn)96h后，鈍化膜表面黃色基本消失，，但表面無(wú)白色腐蝕點(diǎn)，120h、140h繼續(xù)觀察，鈍化膜表面仍然未出現(xiàn)明顯的白色腐蝕點(diǎn)，鈍化膜經(jīng)168h鹽霧試驗(yàn)后，膜層開(kāi)始出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物，按HB5830中性鹽霧試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)判斷，該鈍化膜的耐蝕等級(jí)為8級(jí)，而未經(jīng)處理的鋁合金試片48h就出現(xiàn)了大量白銹，

3 結(jié)論

優(yōu)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(jù)正交試驗(yàn)和單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:Ce(NO3)3· 4H2O作為成膜主鹽對(duì)膜層的耐蝕性能影響最大，溫度對(duì)膜厚的影響最大，Sr(NO3)2·4H2O作為成膜促進(jìn)劑則對(duì)膜厚幾乎無(wú)影響，Sr(NO3)2·4H2O作為成膜促進(jìn)劑，在加快成膜速度的同時(shí)也可提高膜層的耐蝕性。

優(yōu)化的稀土鹽鈍化工藝可在LF1鋁合金表面上生成完整、連續(xù)的黃色鈍化膜，168h中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明，該鈍化膜的耐蝕等級(jí)為8級(jí)。

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

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

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

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

［5］李鑫慶，陳迪勤.化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)與應(yīng)用［M］.武漢:機(jī)械工業(yè)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