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        鋁合金陽(yáng)極氧化鋯鹽封閉研究

        2020-06-29 13:32:36朱鴻昌蘆佳明王梅豐趙春東朱思源戴建升
        江西化工 2020年3期

        朱鴻昌 晏 柳 蘆佳明 王梅豐 趙春東 朱思源 戴建升

        (1.南昌航空大學(xué) 南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西 南昌 330063;2.航空工業(yè)四川泛華航空儀表電器有限公司,四川 雅安 610500)

        0 前言

        鋁合金材料以相對(duì)密度小、可焊接、易成型加工及機(jī)械強(qiáng)度較高等特性,廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1-7]。鋁和空氣中的氧親和力比較強(qiáng),即使在干燥的空氣中,也極易和氧發(fā)生化合反應(yīng),表面生成一層無(wú)孔非晶態(tài)氧化膜:但是自然狀態(tài)下生成的氧化膜較薄,只有幾到幾十納米,耐磨及耐蝕性能較差,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了應(yīng)用要求,還不能作為可靠的防護(hù)層。因此,為了提高鋁合金的耐蝕性,增加其使用壽命,必須對(duì)鋁合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。

        鋁合金陽(yáng)極氧化處理后需要對(duì)其進(jìn)行封閉處理,傳統(tǒng)的封閉工藝有稀鉻酸封閉、重鉻酸鹽封閉、沸水封閉、水蒸氣封閉、鎳鹽封閉等[8-12]。稀鉻酸,重鉻酸鹽,鎳鹽封閉后的鋁合金氧化膜具有良好的耐蝕性,但排放的廢水中含Cr6+和Ni2+污染環(huán)境,對(duì)人體健康有害。因此,開發(fā)新型綠色封閉劑以取代現(xiàn)有含鎳/鉻鹽封閉劑成為鋁合金表面處理工作者的研究重點(diǎn)。目前綠色封孔技術(shù)有溶膠-凝膠封孔、稀土鹽封孔等,但是其封閉后的氧化膜層還是不能夠滿足產(chǎn)品耐蝕性要求[13-18]。因此,研究新型綠色封閉劑對(duì)于鋁合金制品工業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。

        1 試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)試樣所用材料為1016鋁片,試樣規(guī)格為50×25×0.7mm。

        表1 1016鋁合金化學(xué)成分(wt.%)

        1.2 陽(yáng)極氧化工藝流程

        化學(xué)除油(Na3PO460g/L,Na2CO340g/L,40℃,3min)→水洗→堿蝕(NaOH,40g/L,3min)→水洗→出光(HNO340g/L,15s)→水洗→去離子水洗→陽(yáng)極氧化(180g/L H2SO4,電流密度為1.4A/dm2,氧化時(shí)間30min,溫度18~22℃)→水洗→封閉(10min)→水洗→吹干。

        陽(yáng)極氧化后,分別采用以下四種工藝進(jìn)行封閉:

        (1)沸水封閉,在沸騰的純凈水(pH=6.5~7)中,封閉10min;

        (2)鋯鹽封閉,在室溫下30g/L氟鋯酸鉀(pH=4.5~4.6),封閉10min;

        (3)鋯鹽封閉,在中溫60℃下30g/L氟鋯酸鉀(pH=5.0~5.1),封閉10min;

        (4)HB封閉,在60~65℃條件下6g/L HB(pH=5.5~6),封閉10min;

        1.3 評(píng)價(jià)方法

        經(jīng)不同工藝封閉后的陽(yáng)極氧化膜,膜層的耐蝕性分別采用以下四種方法進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn):

        (1)藍(lán)墨水測(cè)試 在封孔后干燥潔凈的鋁合金試樣上面滴一滴藍(lán)墨水,同時(shí)開始計(jì)時(shí),5min后用流動(dòng)的自來(lái)水將鋁片上的藍(lán)墨水沖洗,然后把試樣吹干,用Z16型號(hào)數(shù)碼相機(jī)拍攝。

        (2)動(dòng)電位掃描測(cè)試 運(yùn)用RST5000電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試,采用三電極體系以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑電極(Pt)為輔助電極。測(cè)定試樣在3.5%中性NaCl溶液的動(dòng)電位掃描曲線,試樣暴露面積為1cm2,掃描速度為10mV/s,掃描范圍-1.2~0.6V(vs,Ecor)。

        (3)交流阻抗譜測(cè)試 運(yùn)用RST5000電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試,采用三電極體系以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極,鉑電極(Pt)為輔助電極。測(cè)定試樣在3.5%中性NaCl溶液的交流阻抗譜曲線,試樣暴露面積為1cm2,頻率范圍為0.01-100KHz,測(cè)試信號(hào)為10mV的正弦波[19]。

        (4)磷-鉻酸失重法 采用國(guó)標(biāo)GB/T 87532-2005硝酸預(yù)浸的磷-鉻酸法。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 藍(lán)墨水測(cè)試

        圖1為藍(lán)墨水印記測(cè)試結(jié)果。

        a未封孔,b沸水,c常溫氟鋯酸鉀,d中溫氟鋯酸鉀,e HB封閉劑

        鋁合金陽(yáng)極氧化膜層為多孔結(jié)構(gòu),若封閉效果好,膜層不會(huì)吸附藍(lán)墨水;反之,則說(shuō)明封孔的效果差。由圖1可見(jiàn),未封閉試樣藍(lán)墨水印記最深,常溫氟鋯酸鉀封閉與沸水封閉試樣表面藍(lán)墨水印記較淺,而經(jīng)過(guò)中溫氟鋯酸鉀和HB封閉劑封閉后的試樣都沒(méi)有藍(lán)墨水印記。說(shuō)明中溫氟鋯酸鉀和HB封閉劑封閉效果最佳,常溫氟鋯酸鉀與沸水封閉效果略差。

        2.2 動(dòng)電位掃描測(cè)試

        不同封閉工藝處理試樣的電化學(xué)極化曲線如圖2所示。由圖2可知,鋁合金陽(yáng)極氧化膜腐蝕過(guò)程屬于陽(yáng)極控制過(guò)程,因此可以用維鈍電流密度來(lái)表示氧化膜的耐蝕性[20]。

        a未封孔,b沸水,c常溫氟鋯酸鉀,d中溫氟鋯酸鉀,e HB封閉劑

        圖2中可以看出鋁合金陽(yáng)極氧化膜未經(jīng)過(guò)封孔時(shí),維鈍電流密度大約為10-4A/cm2,而封閉之后的維鈍電流密度大約為10-4.5~10-6A/cm2。封閉后的膜層耐蝕性都好于未封孔耐蝕性。通過(guò)比較不同封閉液封閉處理后維鈍電流密度的大小可知,氧化膜的耐蝕性HB封閉劑封閉效果最佳,并優(yōu)于中溫氟鋯酸鉀封閉。中溫條件下氟鋯酸鉀封閉好于常溫氟鋯酸鉀封閉,沸水封閉的效果最差。

        2.3 交流阻抗譜測(cè)試

        圖3是1016鋁合金陽(yáng)極氧化后經(jīng)過(guò)不同種封閉液封閉后的電化學(xué)阻抗譜曲線。

        圖3 經(jīng)不同封閉液封閉后陽(yáng)極氧化膜電化學(xué)阻抗譜

        Hitzig.J等人認(rèn)為,Bode圖中z-f的不同部分反應(yīng)了不同陽(yáng)極氧化膜層參數(shù),高頻部分表現(xiàn)為陽(yáng)極氧化膜多孔層電容和溶液電阻,低頻部分表現(xiàn)為阻擋層電容和溶液電阻,而中頻部分反應(yīng)多孔層的電阻,并提出了用100Hz處的阻抗值大小來(lái)反應(yīng)陽(yáng)極氧化膜多孔層耐蝕性強(qiáng)弱[21]。由于鋁合金陽(yáng)極氧化膜的封閉僅對(duì)多孔層,當(dāng)侵蝕性離子和水的進(jìn)入時(shí)會(huì)改變氧化膜多孔層的電阻。因此,多孔層電阻越大,則表明氧化膜的耐蝕性越好。

        表2 鋁片在不同封閉液中封孔后陽(yáng)極氧化膜在100Hz處的阻抗

        根據(jù)這個(gè)方法判斷,HB封閉劑>中溫氟鋯酸鉀封閉>常溫氟鋯酸鉀封閉>沸水封閉>未封閉。

        2.4 磷-鉻酸失重測(cè)試

        計(jì)算經(jīng)過(guò)不同封閉液封孔后試片失重?cái)?shù)據(jù)如表3所示。

        表3 鋁片在不同封閉液中封孔后磷鉻酸失重?cái)?shù)據(jù)

        從表3可知,封閉效果HB封閉劑>中溫氟鋯酸鉀封閉>常溫氟鋯酸鉀封閉>沸水封閉>未封閉。中溫氟鋯酸鉀封閉接近HB封閉效果,原因是氟鋯酸鉀與氧化膜在水溶液中經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng),生成了Zr(OH)2和Zr(OH)4沉淀填充在氧化膜中,而Zr(OH)2和Zr(OH)4具備優(yōu)良的耐蝕性,并且鋁合金氧化膜在中溫條件下生產(chǎn)拜爾體,鋁合金氧化膜體積膨脹實(shí)現(xiàn)封閉。在這雙重的作用下,中溫氟鋯酸鉀封閉后陽(yáng)極氧化膜顯示出優(yōu)異的耐蝕性。而在常溫條件下采用氟鋯酸鉀進(jìn)行封閉時(shí),由于在室溫條件下鋁合金氧化膜不能夠轉(zhuǎn)換成拜爾體,并且可能由于溫度低導(dǎo)致氟鋯酸鉀與氧化膜在水溶液中反應(yīng)難以進(jìn)行,產(chǎn)生Zr(OH)2和Zr(OH)4沉淀較為困難,從而影響了封閉效果。

        3 結(jié)論

        通過(guò)硝酸預(yù)浸磷鉻酸脫膜實(shí)驗(yàn)、測(cè)極化曲線、電化學(xué)阻抗譜及藍(lán)墨水四種方法評(píng)價(jià)了氟鋯酸鉀在常溫、中溫條件下封閉鋁合金陽(yáng)極氧化膜的封孔質(zhì)量和耐蝕性,并與工業(yè)生產(chǎn)中使用含鎳鹽HB型封閉劑,傳統(tǒng)沸水封閉效果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)中溫氟鋯酸鉀封閉液封孔后的鋁合金陽(yáng)極氧化膜耐蝕性優(yōu)良,其封孔質(zhì)量接近于市售鎳鹽HB型封閉劑,因此可知氟鋯酸鉀可以替代對(duì)環(huán)境有害的含鎳封閉劑,在工業(yè)生產(chǎn)中有很好的應(yīng)用前景。

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