硼酸對鋁合金微弧氧化膜耐蝕性的影響

徐曉丹，佟金偉，莊 宇

(1.長春工業(yè)大學先進結構材料省部共建教育部重點實驗室，吉林長春 130012;2.吉林石油集團有限責任公司儲運銷售公司，吉林松原 138000;3.大陸汽車電子(長春)有限公司發(fā)動機動力系統(tǒng)部，吉林長春 130033)

硼酸對鋁合金微弧氧化膜耐蝕性的影響

徐曉丹1，佟金偉2，莊 宇3

(1.長春工業(yè)大學先進結構材料省部共建教育部重點實驗室，吉林長春 130012;2.吉林石油集團有限責任公司儲運銷售公司，吉林松原 138000;3.大陸汽車電子(長春)有限公司發(fā)動機動力系統(tǒng)部，吉林長春 130033)

研究了硼酸質(zhì)量濃度對6060鋁合金表面微弧氧化膜組織和性能的影響。對在不同硼酸質(zhì)量濃度下生成的鋁合金微弧氧化膜的表面形貌及相組成進行了分析;并通過腐蝕試驗評價其耐腐蝕性能。結果表明:微弧氧化膜主要由α-Al2O3和γ-Al2O3相組成，當硼酸質(zhì)量濃度為1g/L時，膜層的表面粗糙度最低;當硼酸質(zhì)量濃度為1.5g/L時，膜層耐蝕性能最佳。

鋁合金;微弧氧化;陶瓷膜;耐蝕性

引 言

鋁及其合金在工業(yè)上有著廣泛的應用，但是鋁的硬度較低，耐磨性和抗腐蝕能力較差，限制了其在工業(yè)上的使用［1-2］。微弧氧化是近年來由陽極氧化發(fā)展而來的一種表面處理新技術，具有工藝簡單，環(huán)境污染少等特點，且所制備的微弧氧化陶瓷膜耐磨損、耐腐蝕、耐高溫氧化，并且絕緣性較好，因此在航空、航天、機械、電子等領域得到了廣泛的應用。為了提高鋁合金的表面微弧氧化涂層的性能，研究者分別從陶瓷層厚度、電解液成分以及電流密度等方面分析了工藝條件對陶瓷層性能的影響，并得到了較為優(yōu)異的氧化涂層［3-6］。本文采用硅酸鹽為電解液，通過向電解液中加入不同質(zhì)量濃度硼酸，研究硼酸對鋁合金表面微弧氧化膜組織性能的影響。

1 實驗

基體材料為6060型鋁合金(合金成分0.5%Si，0.2%Fe，0.5%Mg 及少量的 Zn 和 Ti，其余為Al)，試片尺寸為30mm×15mm×3 mm。微弧氧化處理前，對試片的表面進行機械拋光并清洗干凈。

采用MAO-20C型直流微弧氧化裝置，試樣作為陽極，不銹鋼電解槽作為陰極，采用水浴冷卻使電解液溫度保持在50℃以下，陽極電流密度分別為4、5、6 A/dm2，占空比30%，頻率700Hz，微弧氧化處理時間為30min。電解液為15g/L硅酸鈉、3g/L氫氧化鈉，并分別加入0.5、1.0、1.5g/L 的硼酸。

采用X-射線衍射儀、JSM-5500型掃描電子顯微鏡、OL-S3000型激光共聚焦顯微鏡、EPIPHOT-300型電子顯微鏡分析微弧氧化膜層的相結構和表面形貌，并測量膜層厚度。利用電化學分析儀，采用三電極體系，試樣作為工作電極，鉑片作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極，電解液為3.5%NaCl溶液，掃描速度0.3mV/s測量極化曲線，鹽霧實驗在YWX-Q-150型鹽霧腐蝕實驗箱中進行。θ為25℃，腐蝕介質(zhì)為50g/L的 NaCl溶液。每隔0.5h噴霧 5min，時間為 100h。

2 結果與討論

2.1 硼酸質(zhì)量濃度對氧化膜相組成的影響

圖1為在不同硼酸質(zhì)量濃度下形成的陶瓷膜層的XRD分析結果。由圖1看出膜層主要由α-Al2O3和γ-Al2O3組成，微弧氧化膜中α-Al2O3相為主要組成相，γ-Al2O3相是熱力學非穩(wěn)定相，在1 000～1 200℃條件下可以轉變?yōu)棣?Al2O3，α-Al2O3相的各項性能均優(yōu)于γ-Al2O3相［7-8］。根據(jù)估算可以知道陶瓷膜中α-Al2O3比γ-Al2O3的含量高。從圖1中還可以看出，硼酸質(zhì)量濃度的變化對陶瓷膜層中相的組成影響不大。

圖1 不同ρ(H3BO3)生成的微弧氧化膜的XRD譜圖

2.2 硼酸質(zhì)量濃度對氧化膜表面形貌的影響

微弧氧化陶瓷膜的形成是由于在較高的電壓下，鋁表面的氧化膜被擊穿，從而產(chǎn)生等離子體微弧放電的緣故，等離子放電通道內(nèi)溫度可高達2 000～8 000K，壓力可達100MPa以上。微弧氧化過程較復雜，同時存在等離子化學、電化學及熱化學反應，最終由于高溫燒結作用導致放電通道被封閉，同時生成了陶瓷結構的氧化膜。由于氧化過程中在基體表面會伴隨有微弧放電，這樣勢必在基體表面留下大量放電產(chǎn)物。鋁合金在含有不同硼酸質(zhì)量濃度的溶液中，電流密度為5A/dm2，經(jīng)微弧氧化處理30 min后形成的氧化陶瓷膜表面形貌如圖2所示。

圖2 不同ρ(H3BO3)生成的氧化膜的激光共聚焦顯微照片

未加入硼酸的微弧氧化膜表面粗糙度較高，在圖2三維形貌圖片中可以看出膜層表面不是很平整，但隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加，膜層表面變的平整，通過對圖2(a)～(d)的比較可見，硼酸質(zhì)量濃度1g/L時，膜層表面比較平整，粗糙度較低。但當硼酸質(zhì)量濃度為1.5g/L時，孔數(shù)增多，粗糙度增大。

2.3 硼酸質(zhì)量濃度對氧化膜截面形貌的影響

陶瓷層的截面分為外部疏松層和內(nèi)部致密層，膜層與鋁合金基體的結合是犬牙交錯的。隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加致密層增厚。因為致密層所表現(xiàn)出來的硬度、耐蝕、耐磨等性能優(yōu)于疏松層，所以致密層越厚，陶瓷膜綜合性能就越好。硼酸起到了鈍化成膜的作用。微弧氧化膜層的厚度隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加呈增加趨勢(氧化膜截面形貌圖略)。在硼酸質(zhì)量濃度為1.5g/L時，膜層最厚，約為21μm。

2.4 硼酸質(zhì)量濃度對氧化膜耐蝕性的影響

2.4.1 電化學測試結果

圖3為陶瓷膜在3%NaCl溶液中的恒電位極化曲線。從圖中可以看出，在未加入硼酸的電解液中制備的陶瓷膜的腐蝕電位是－0.6V(vs SCE)，而在含有硼酸電解液中生成氧化膜的腐蝕電位均比－0.4V(vs SCE)正，腐蝕電位正移。這表明生成的陶瓷膜有一定的耐蝕性，增加硼酸質(zhì)量濃度可以提高陶瓷膜的耐蝕性，而從三種不同硼酸質(zhì)量濃度生成的氧化膜的腐蝕電位比較可以看出，在1.5g/L的硼酸溶液中生成的氧化膜的耐腐蝕性最好。

圖3 不同ρ(H3BO3)條件下生成的陶瓷膜在3%NaCl溶液中的極化曲線

2.4.2 鹽霧試驗測試結果

圖4為陶瓷膜鹽霧試驗前、后的表面形貌。從圖中可以看出未加入硼酸得到的陶瓷膜腐蝕后腐蝕孔較多，如圖4(b)，而加入硼酸后腐蝕孔數(shù)較少，從對圖(b)、(c)、(d)的比較及實驗結果可以看出隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加，腐蝕后陶瓷膜表面的腐蝕孔數(shù)目減少，這說明增加硼酸濃度可以提高陶瓷膜的耐蝕性。

圖4 腐蝕前后氧化膜的SEM照片

3 結論

1)鋁合金在硅酸鹽體系中生成的微弧氧化膜主要由α-Al2O3相和γ-Al2O3相組成。硼酸質(zhì)量濃度的變化對膜層中相的組成影響不大。

2)在硅酸鹽體系中加入硼酸能夠有效改善陶瓷膜的表面粗糙度，而且隨著硼酸濃度的增加，膜層的表面粗糙度降低，且當ρ(H3BO3)為1g/L時，微弧氧化膜層的表面粗糙度最低;另一方面，隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加，膜層的厚度也隨著增厚。

3)在硅酸鹽體系中加入硼酸，使生成的陶瓷氧化膜更致密、孔隙少，從而提高了膜層的耐蝕性。

［1］劉文亮.鋁合金在不同溶液中的微弧氧化膜層性能研究［J］.電鍍與精飾，1999，21(4):9-11.

［2］薛文斌，鄧志威，來永春等.鋁微弧氧化電流效率的測定［J］.電鍍與精飾，1998，20(3):1-4.

［3］Albella J M，.Montern I，Martine D J M.Electron-injection and avalanche during the anodic oxidation of tantalum［J］.Electrochem.Soc.，1984，131(5):1101-1104.

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［6］王玉林，沈德久.微弧陶瓷化在耐磨耐熱件上的應用［J］.輕合金加工技術，2005，33(6):29-31.

［7］Zozulin A J，Bartak D E.Anodized coating for magne sium alloys［J］.Met Finish，1994，92(3):39.

［8］Kurze P.Magnesium legierunger electrochmisch beschichte［J］.Metallober，1994，48(2):104.

Effect of Boric Acid on Corrosion Resistance of Micro-arc Oxidation Film on Aluminum Alloy

XU Xiao-dan1，TONG Jin-wei2，ZHUANG Yu3
(1.Education Ministry Key Laboratory of Advanced Structural Materials，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China;2.Storage，Transportation and Sale Co.，Jilin Petroleum Group Ltd.Songyuan 138000，China;3.PESH，Continental Automotive Changchun Co LTd.，Changchun 130033，China)

Ceramic films on 6060 aluminum alloy were prepared with micro-arc oxidation from electrolyte containing boric acid in different concentrations.Morphology and phase composition of the micro-arc oxidation films were analyzed.Corrosion resistance of the films were estimated through electrochemical measurement technique and salt solution spray test method.The experimental results showed that the micro-arc oxidation films on 6060 aluminum alloy were composed mainly of α-Al2O3and γ-Al2O3phases.The film prepared from electrolyte containing 1g/L H3BO3had the lowest surface roughness and that prepared from electrolyte containing 1.5g/L H3BO3had the best corrosion resistance.

aluminum alloy;micro-arc oxidation;ceramic film;corrosion resistance

TG 174.453

A

1001-3849(2010)12-0006-04

2010-07-16

2010-08-10

吉林省科技廳基礎研究項目(20080505)