鋁合金陽極氧化后處理工藝及涂層耐蝕性研究

薛笑莉，宋政偉

(太原工業(yè)學(xué)院 化學(xué)與化工系，山西 太原 030008)

鋁合金作為陽極在通電下會轉(zhuǎn)化成一層氧化膜，這層氧化膜比在自然狀態(tài)下形成的氧化膜更加的致密、質(zhì)地更加的硬、耐蝕效果更好[1]。鋁合金在陽極氧化后表面會呈現(xiàn)出多孔的狀態(tài)[2]，大量的微孔結(jié)構(gòu)單元使得鋁合金材料暴露在環(huán)境的有效表面積大大增加，這將很有利于腐蝕介質(zhì)的侵入，腐蝕的速度也大為增加。因此，要想提高鋁合金材料的耐蝕性能就必須對其進行封孔處理[3-5]。

目前在我國可以大規(guī)模操作的封孔工藝仍然是重鉻酸鹽封孔法[6]，但這種工藝的使用產(chǎn)生所重金屬離子鉻對環(huán)境有較大的污染[7-9]，而且鋁合金建材在使用過程中對人體健康產(chǎn)生有害的影響。因而研發(fā)無重金屬離子鉻、能耗又小的綠色氧化膜封孔工藝將具有極大的社會效益[10]。

本課題擬開發(fā)一種鋁合金陽極氧化綠色后處理工藝，探究不同的工藝條件對鋁合金陽極氧化膜封孔后的耐蝕的影響。

1 實驗部分

1.1 試劑與設(shè)備

氧化鎂，磷酸，氯化鈉，鋁合金6061，馬弗爐，掃描電鏡(JSM7200F，日本電子)，電化學(xué)工作站(PMC2000，普林斯頓)，熱重分析儀。

1.2 鋁合金的陽極氧化及后處理

實驗流程：打磨-除油-酸活化-陽極氧化-封孔-熱處理。

將切割好的鋁合金試片先用240目的砂紙打磨消除試片上的毛刺，再用600目的砂紙打磨至平整，再用1500目的砂紙打磨至光滑，用50 g/L氫氧化鈉溶液除油，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硝酸進行酸活化，其目的是有效的保持良好的活化表面，確保氧化膜的質(zhì)量。前處理后的試樣進行氧化處理，采用恒電流方式進行陽極氧化，所采用的陽極氧化電解液為40 g/L硫酸，8 g/L硼酸，少量硅溶膠，氧化溫度25℃，氧化30min。

封孔溶液的配置：封孔采用磷酸鹽溶液封孔法。先稱取磷酸19.63 g于燒杯中，將燒杯放入85℃水浴鍋中，再稱取2.00 g氧化鎂，待磷酸加熱至80℃左右時，開始加入氧化鎂，每次加熱少許的氧化鎂，并不斷的攪拌，待氧化鎂溶解后，再加入少許的氧化鎂，直到將所有的氧化鎂都加入磷酸中并充分溶解。再加入55 mL的去離子水，加入少量硅溶膠，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的磷酸鹽溶液。將前處理好的試樣放入配好的封孔溶液中，提拉方式進行封孔處理，待試樣表面自然干燥后，放入250℃的馬弗爐中，熱處理30min，取出測定試樣的性能。

1.3 涂層性能的檢測

主要檢測試樣的表面形貌、表面成分及耐蝕性。具體的操作方法有交流阻抗法、極化曲線法、掃描電鏡、能譜分析等，以此來確定涂層的耐蝕性能、表面形貌、組成元素。電化學(xué)方法測定耐蝕性時所用的溶液為3.5%氯化鈉溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

在掃描電鏡下觀測了在最佳工藝條件下處理的鋁合金試片顯微結(jié)構(gòu)形貌。圖1中a、b、c分別是鋁基體陽極氧化膜和250℃下封孔的試片在不同放大倍數(shù)下的顯微形貌。從圖1中可以明顯看出，鋁合金經(jīng)陽極氧化后表面不平整而且充滿了孔洞，與封孔過后的形貌相比差別較大。經(jīng)封孔過后的鋁合金試片在掃描電鏡下可以明顯看到表面幾乎沒有孔洞，封孔效果較好，在高倍鏡下可以明顯看到表面被大量的白色顆粒物質(zhì)已封住孔洞且比較均勻，初步判斷這些大量的白色顆粒為磷酸鹽晶體顆粒。

a：未封孔；b：封孔試樣；c:封孔試樣在8000倍下的掃描電鏡形貌

圖1 鋁合金陽極氧化膜及最佳工藝條件下封孔的試片的表面形貌

2.2 表面成分分析

為了進一步研究表面形成的晶體的成分，實驗采用EDS對晶體進行元素分析。分析結(jié)果見圖2，從圖中可以看出，后處理前，表面氧化膜成分主要是氧和鋁，少量硅，硫元素有可能是氧化后殘留的電解液中的硫。后處理后，出現(xiàn)了鎂元素和磷元素，氧和硅的相對含量增加，封孔溶液主要成分為二氧化硅和磷酸二氫鎂，為了進一步確認(rèn)熱處理后表面層的具體組成，又做了熱重分析。

a：未封孔；b:封孔

圖2 后處理前后表面EDS圖譜

熱重分析曲線見圖3，從圖中可以算出，加熱到250℃后，磷酸二氫鎂的失重率約為92%，對應(yīng)失去一分子水，生成酸性焦磷酸鎂，所以熱處理后表面的主要成分為酸性焦磷酸鎂和二氧化硅。

圖3 封孔劑熱重曲線

2.3 耐蝕性分析

圖4 鋁合金基底、未封孔的、封孔的試片 在3.5%氯化鈉溶液中的交流阻抗譜圖

將鋁合金基底、未封孔的試樣與在最佳工藝條件下處理好的試樣分別進行交流阻抗實驗，結(jié)果見圖4。從圖4三個交流阻抗圖譜中可以看出，三者的交流阻抗譜圖差別非常大。圖中所顯示圖形近似半圓，而且三者的直徑相差較大。直徑的大小 能直接說明試樣的耐蝕性能的大小。從圖中就可以看出鋁合 金基底的交流阻抗圖的直徑明顯小于未封孔試樣的，而且相差 特別大，這就說明經(jīng)未封孔( 陽極氧化) 的試片的耐蝕性比鋁合 金基底的耐蝕性大了很多，進而說明經(jīng)過陽極氧化在試樣表面 形成的氧化膜對鋁合金試片有較好的保護作用; 經(jīng)封孔處理的 試樣的交流阻抗圖的直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未封孔處理的，說明封孔可 以起到進一步提高氧化膜的耐蝕性。

3 結(jié)論

鋁合金陽極氧化處理后，表面會形成一些孔洞，封孔處理后，表面孔洞減少，在氧化層表面形成一層磷酸鹽層，該層磷酸鹽層主要元素組成為Mg，P，O，Si，主要成分焦磷酸鎂和二氧化硅。通過電化學(xué)測試，封孔后的試樣的耐蝕性得到了提高，說明該封孔工藝適合于鋁合金陽極氧化封孔處理。