鋁合金電解著色用鎳板失效原因分析

胡利芬，馮皓*，劉鑫

（中國電器科學(xué)研究院有限公司，工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510300）

電解著色是建筑鋁型材最常用的著色方法。國內(nèi)外一般采用錫鹽或錫–鎳混合鹽著色，而在日本，單鎳鹽著色比較普遍。近年來，由于市場對淺色系色料需求增加，單鎳鹽電解著色因其底色穩(wěn)定、槽液簡單，尤其是生產(chǎn)不銹鋼色、淺香檳色等淺色系鋁合金材料時顏色均勻性、重現(xiàn)性好，已受到國內(nèi)外越來越多的鋁型材生產(chǎn)廠家青睞[1]。

鋁合金電解著色時，著色液的金屬離子在陽極氧化膜微孔內(nèi)的阻擋層表面上發(fā)生還原反應(yīng)[2-3]，將金屬離子沉積在氧化膜孔的底部，使材料表面著上顏色。單鎳鹽著色的主鹽為硫酸鎳，為了較好地保持槽液中硫酸鎳的濃度，一般采用鎳板作為對電極對鋁合金進(jìn)行著色。雖然著色膜中金屬沉積量與著色膜的顏色變化并不是線性關(guān)系，但是著色膜中的金屬沉積量越多，著色膜顏色越深[3]。肖鑫等的研究也表明，隨著著色液中鎳鹽濃度的升高，著色膜層顏色加深[4]。因此單鎳鹽著色一般會將鎳鹽濃度控制在100 g/L 左右[5]。

一般鎳板的使用壽命為2年。某鋁業(yè)公司購進(jìn)的200 余塊鎳板，在使用半年后約有1/4 發(fā)生嚴(yán)重腐蝕而失效。經(jīng)與供貨商協(xié)調(diào)后進(jìn)行了更換，但在接下來不到半年時間，又有約1/4 腐蝕嚴(yán)重，不得不替換下生產(chǎn)線。本文從鎳板腐蝕形貌、顯微組織、微區(qū)成分等方面對鎳板早期失效原因進(jìn)行分析，找出了鎳板發(fā)生腐蝕失效的原因，并對鎳板的質(zhì)量控制提出建議。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品描述

樣品為生產(chǎn)線上替換下的鎳電極板。取樣部位分別是位于導(dǎo)電桿處和液面以下的工作部位，其中工作部位的鎳板發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕。

1.2 試驗(yàn)儀器

德國蔡司公司 EVO MA 18 掃描電子顯微鏡(SEM)；英國牛津公司INCA 能譜儀(EDS)；德國徠卡公司DM6000M 光學(xué)顯微鏡。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎳板腐蝕形貌觀察

取工作部位的鎳板，用SEM 對其表面形貌和截面形貌進(jìn)行觀察。圖1 是鎳板表面和截面不同區(qū)域的腐蝕形貌。從截面腐蝕形貌可以看出，鎳板的腐蝕是沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展，呈現(xiàn)出典型的晶間腐蝕形貌特征。鎳板近表面處晶間腐蝕嚴(yán)重，已經(jīng)有部分晶粒從基體脫落。

圖1 鎳板工作部位的表面和截面腐蝕形貌Figure 1 Surface and sectional morphologies of the corroded working area of nickel plate

2.2 鎳板顯微組織分析

對導(dǎo)電桿處和工作部位的鎳板取其截面進(jìn)行金相組織分析和夾雜物分析(浸蝕劑為3%的氯化鐵酒精溶液)。分析結(jié)果見圖2。

圖2 鎳板上不同部位的顯微組織觀察Figure 2 Metallographs of different positions of Ni plate

結(jié)果顯示：不論是導(dǎo)電桿處還是工作區(qū)域，鎳板中均含有大量夾雜物，且晶界有連續(xù)的夾雜物析出。

2.3 夾雜物成分分析

為了解鎳板發(fā)生晶間腐蝕的原因，采用掃描電鏡配備的能譜儀對鎳板晶界析出的夾雜物進(jìn)行微區(qū)成分分析。結(jié)果顯示，鎳板中的夾雜物主要是C 和Si，如圖3 和表1 所示。

圖3 鎳板晶界夾雜物的EDS 分析結(jié)果Figure 3 EDS spectra for inclusions at grain boundary of nickel plate

表1 鎳板晶界夾雜物的元素成分Table 1 Elemental composition of inclusions at grain boundary of nickel plate

3 結(jié)論與改進(jìn)建議

從以上結(jié)果可以看出：鎳板發(fā)生的是晶間腐蝕，這造成了鎳板的快速溶解和早期失效。晶界C、Si 等夾雜物的析出是鎳板發(fā)生晶間腐蝕的主要原因。

生產(chǎn)中如果鎳板因發(fā)生晶間腐蝕而快速溶解，勢必會增大著色液中鎳鹽的濃度，影響著色效果。此外，隨著鎳板的腐蝕，鎳板晶界處C、Si 等夾雜物會溶出而進(jìn)入著色液，同樣會影響著色質(zhì)量。因此，建議嚴(yán)格控制鎳板中的C、Si 含量，并選擇合適的熱處理工藝，盡量避免C、Si 等夾雜物在晶界的析出，降低晶間腐蝕敏感性。

[1]唐永兵,王中霞,李子國,等.鋁合金寬溫氧化單鎳鹽電解著色工藝的研究[J].輕合金加工技術(shù),2012,40 (1):47-50,54.

[2]陳日耀,陳震.關(guān)于氧化鋁膜著色層的研究[J].化工進(jìn)展,1994 (2):26-29.

[3]劉文亮,朱祖芳.鋁及鋁合金電解著色機(jī)理[J].電鍍與環(huán)保,1995,15 (6):17-19.

[4]肖鑫,鐘萍.鋁型材仿不銹鋼色電解著色工藝研究[J].腐蝕與防護(hù),2005,26 (4):165-166,176.

[5]朱祖芳.鋁型材表面處理技術(shù)發(fā)展之過去和未來十年[J].電鍍與涂飾,2002,21 (2):44-50.