李波濤，何昌協(xié)，徐志飛

(河南同人鋁業(yè)有限責任公司，河南 三門峽 472100)

鋁合金以其導熱導電性能優(yōu)異、機械加工性能好、比強度高等優(yōu)點，廣泛應用于汽車工業(yè)、造船工業(yè)和航空工業(yè)等領域[1]。然而，鋁合金表面腐蝕問題成為限制其應用的重要因素。為了延長鋁合金的使用壽命，提高其抗蝕能力，擴大其應用領域，研究者開發(fā)出了鋁合金腐蝕防護處理多種技術。鋁合金腐蝕防護處理中最簡單、最有效的技術是金屬表面轉化處理技術，主要工藝是通過轉化處理技術在金屬基體表面形成一層將腐蝕性介質與金屬隔開的轉化膜，阻止腐蝕性介質滲入到金屬基體上，進而降低金屬腐蝕速率[2]。

鋁合金表面鉻酸鹽轉化工藝十分成熟，經鉻酸鹽處理后的金屬基體表面抗蝕性優(yōu)異，且具有使用方便、成本低廉、外表美觀等優(yōu)點，得到廣泛使用[2]。然而六價鉻具有致癌性，會對人體健康和環(huán)境保護產生極大危害，因此，無鉻轉化技術成為鋁合金表面處理技術發(fā)展方向[3]。目前，鋁合金表面無鉻轉化工藝已取得了積極進展，在應用過程中取得了良好的效果[4]。無鉻轉化工藝有鈦酸鹽轉化、鋯酸鹽轉化、高錳酸鹽轉化、鉬酸鹽轉化等處理工藝[5-8]。稀土金屬鹽轉化工藝，作為一種新興無鉻轉化技術國內研究報道不多，本文作者采用稀土鹽Ce(NO3)3·6H2O作為主鹽、H2O2為強氧化劑，研究出新型6061鋁合金無鉻轉化工藝，并對其轉化后的耐腐蝕性能進行分析。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗采用6061鋁合金，將其切成30mm×30mm×3mm的試樣；試樣制備工藝流程為，試片打磨→脫脂→熱水洗→冷水洗→堿蝕→去離子水洗→光亮酸蝕→去離子水洗→吹干→轉化→水洗→自然晾干。其合金元素成分(質量分數，%)為，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 正交試驗設計

選定稀土金屬鹽Ce(N03)3·6H2O(主鹽)和H2O2(強氧化劑)作為制備轉化膜的處理液，經研究分析得出，處理液pH、Ce(N03)3·6H2O濃度、H2O2濃度、成膜時間、成膜溫度這5個因素對膜的性能有重要影響。因此，采用Ll6(45)正交表，安排了五因素四水平正交試驗對轉化工藝進行優(yōu)化(表1)。以膜的耐腐蝕性和膜厚作為判斷的指標，通過極差計算來分析這5個因素對膜層性能的影響，確定成膜的最佳工藝參數。

表1 Ll6(45)正交試驗因素水平表

1.3 轉化膜性能評定

(1)抗蝕性能測試。點滴試驗是在轉化膜表面滴下一滴檢測溶液，與此同時啟動秒表，觀察并記錄轉化膜表面點滴液的顏色由黃變?yōu)榫G的時間。評判方法是記錄的時間越長，則膜層的抗蝕性能越好。點滴試驗用溶液成分及其含量為，重鉻酸鈉3g，去離子水75 mL，濃鹽酸25 mL。

(2)轉化膜膜厚測定。采用TT240數字式涂層測厚儀測定轉化膜的厚度，在每個試樣的表面隨機選取8個點進行轉化膜厚度的測量，并計算出平均膜厚。

2 結果與討論

2.1 正交試驗數據分析

表2和表3所示分別為正交試驗數據和正交試驗結果。

表2 Ll6(45)正交試驗數據表

表3 正交試驗處理結果

采用極差分析法來分析正交試驗結果，根據極差值的大小可知，各因素對膜厚影響重要性順序由小到大依次為：處理液pH<成膜時間

由表2和表3可以看出轉化膜膜厚隨著Ce(N03)3·6H2O濃度的升高而先升高后降低，其抗腐蝕性能在15g·L-1時達到最好，但此時的膜厚并不是最厚。綜上所述，可確定Ce(N03)3·6H2O的最佳濃度為15g·L-1。

H2O2能夠促進6061鋁合金快速且均勻地成膜，是稀土轉化的良好促進劑。由表2和表3可知，轉化膜膜厚隨著H2O2濃度的升高而逐漸增加，其抗腐蝕性能在4 mL·L-1時達到最好。由此可知，提高H2O2的濃度，轉化膜膜厚及其抗蝕性能也相應提高，但濃度太大時會使得轉化膜由金黃色變?yōu)樽睾稚＞C上所述，可確定H2O2的最佳濃度為4 mL·L-1。

由表2和表3還可以看出，隨成膜時間的延長，轉化膜的耐點滴時間亦逐漸增加，其抗蝕性在時間達到10 min時最好，隨著成膜過程的繼續(xù)，轉化膜的抗蝕性又逐漸下降?？赡苁且驗樵跁r間較短時，轉化膜的形核還來不及長大，形成的轉化膜又薄又疏松，抗蝕性比較差；隨著成膜時間的延長，膜層變厚且均勻致密，布滿在鋁合金基體表面，其抗蝕性也不斷提高；超過10 min后，由于是在已形成的轉化膜上繼續(xù)反應，生成了疏松粗大的多孔膜，使得轉化膜的孔隙率增大，反而使轉化膜的抗蝕性減弱。綜上所述，在本工藝條件下的最佳成膜時間為10 min。

2.2 單因素試驗結果與分析

正交試驗分析6061鋁合金轉化液的最佳配方及工藝參數是，Ce(N03)3·6H2O濃度為15g·L-1，H2O2濃度為4g·L-1，處理時間是10 min。在此基礎上，用單因素試驗法研究不同成膜溫度和不同處理液pH對轉化膜膜厚以及抗蝕性的影響。

2.2.1 成膜溫度對轉化膜厚度、抗蝕性的影響

圖1為成膜溫度對耐點滴時間和膜厚度的影響。由圖1可知，當溫度為30℃時，由于溫度較低，成膜速率慢，金屬基體表面不能形成完整的轉化膜，此時轉化膜抗蝕性較差；隨著溫度升高，成膜速率加快，轉化膜膜厚增加，溫度在35℃時，轉化膜耐點滴時間為230s，達到峰值，此時抗蝕性能最優(yōu)。溫度在35℃～60℃時，隨著轉化膜厚度的增加，抗蝕性反而降低，這是因為溫度過高，成膜速率過快，使得形成的轉化膜疏松粗大且多孔，轉化膜的結合力和致密性都變差。因此，最佳的成膜溫度為35℃。

2.2.2 pH對轉化膜厚度、耐蝕性的影響

圖2為不同pH條件下轉化膜的耐點滴時間和膜厚度。由圖2可知，當pH在1.5～2.5之間時，劇烈的溶解反應導致了轉化膜的形核和生成難以順利進行，致使膜層不夠致密，抗蝕性也不太理想；當處理液pH>3.5時，溶液中氫氧根離子濃度逐漸升高，其與鈰離子形成鈰的氫氧化物的速率亦加快，進而導致成膜速率下降，轉化膜厚度也下降，其抗蝕性能變差；當處理液pH=3.5時，轉化膜膜層較厚，抗蝕性也最好。因此最佳的處理液pH為3.5。

圖1 成膜溫度對耐點滴時間和膜厚度的影響Fig.1 Influence of temperature on drip resistance time and film thickness

圖2 pH對耐點滴時間和膜厚度的影響Fig.2 Influence of pH on drip resistance time and film thickness

3 結論

(1)采用Ce(N03)3·6H2O為主鹽、H2O2為強氧化劑組成的無鉻轉化處理液處理6061鋁合金，可在其表面獲得金黃色的稀土鈰鹽轉化膜，處理工藝簡單，形成的轉化膜耐蝕性能較好；

(2)在影響稀土鈰鹽轉化膜耐蝕性的因素中，采用正交試驗確定了H2O2濃度、Ce(N03)3·6H2O濃度和成膜時間對轉化膜的影響，采用單因素試驗確定了成膜溫度和處理液pH對轉化膜的影響；

(3)最佳成膜工藝參數為：Ce(N03)3·6H2O濃度為15g·L-1，H2O2濃度為4 mL·L-1，處理溫度為35℃，處理時間為10 min，pH為3.5。

[1] 姜琴．鋁合金有機無機復合無鉻鈍化膜耐蝕性研究[D]．中國科學院研究生院(海洋研究所)碩士學位論文，2013：1-3．

[2]陳禮揚．鋁合金表面無鉻轉化膜的制備工藝及性能研究[D]．南昌大學碩士學位論文，2012：1．

[3]宋曰海，郭忠誠，李愛蓮．鋁及鋁合金陽極氧化、著色及封閉的現狀和發(fā)展趨勢[J]．電鍍與涂飾，2002，21(6)：58-61．

[4]王祝堂．世界汽車用鋁狀況及發(fā)展趨勢(3) [J]．鋁加工，2001，24(1)：10-14．

[5]紅光日．汽車用鋁材的涂裝前處理技術[J]．汽車工藝與材料，2004，(3)：32-36．

[6]訾赟．鋁合金無鉻鈍化工藝及性能研究[D]．沈陽理工大學碩士學位論文，2011：2．

[7]周渝生．無鉻鈍化技術研究的進展[J]．鋼鐵，2003，38 (4)：68-71．

[8]楊杰．鋁合金表面無鉻化學轉化膜研究[D]．西安建筑科技大學碩士學位論文， 2007：7-12．