鋁合金無鉻轉(zhuǎn)化膜防護(hù)性能的檢測及研究

摘 要：本文研究了針對鋁合金零件采用以硝酸銅（Cu（NO3）23H2O、高錳酸鉀KMnO4為主體的無鉻轉(zhuǎn)化膜，以轉(zhuǎn)化膜防護(hù)性能為目標(biāo)，進(jìn)一步研究其膜層成分、生成機(jī)理，并針對轉(zhuǎn)化膜層的耐蝕性、附著性、耐磨性等進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，以檢測該轉(zhuǎn)化膜層的防護(hù)性能。

關(guān)鍵詞：無鉻;轉(zhuǎn)化膜;防護(hù)性

中圖分類號：TG174.45

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

鋁合金表面著色技術(shù)主要用于解決鋁合金零件表面防護(hù)性和裝飾性或消光處理等問題[1]。其中，基于無機(jī)鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化方法獲得的表面防護(hù)性膜層，能很好地解決在批量生產(chǎn)中零件難于掛極進(jìn)行電解氧化處理的問題，并且也適用于儀器、儀表、汽車等設(shè)備的外觀裝飾性要求[2]。

在前期的研究中，在常溫下已經(jīng)獲得一種黑色無鉻無機(jī)鹽轉(zhuǎn)化膜[3]。本文在上述成膜技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合表面技術(shù)分析制備工藝對轉(zhuǎn)化膜的影響，進(jìn)而探討膜層成分和生成機(jī)理。采用腐蝕試劑進(jìn)行點(diǎn)滴試驗(yàn)，對膜層耐酸、耐堿和耐中性鹽的腐蝕能力進(jìn)行測試，采用劃痕法和摩擦法對膜層的結(jié)合力以及耐磨性進(jìn)行測試，以檢測該轉(zhuǎn)化膜層的綜合防護(hù)性能。

研究結(jié)果表明，這種在常溫下實(shí)現(xiàn)著色的無鉻轉(zhuǎn)化膜，色澤純正均勻，工藝綠色節(jié)能，適合批量生產(chǎn)，且膜層有良好的結(jié)合力，具有較強(qiáng)的耐磨性和一定的耐蝕性。本項(xiàng)研究具有良好的學(xué)術(shù)研究價(jià)值和生產(chǎn)應(yīng)用空間。

1 膜層分析

1.1 工藝方案

配置的反應(yīng)水溶液為：15 g/L高錳酸鉀（KMnO4） 、4 mL硝酸（HNO3）d=1.40、25 g/L硝酸銅（Cu（NO3）23H2O，在室溫條件下間歇緩慢攪動鋁合金試件零件，使其表面反應(yīng)充分，并保持反應(yīng)時(shí)間為12 h，之后漂洗烘干。

1.2 成膜機(jī)理

硝酸銅作為反應(yīng)溶液中的活化劑，將鋁合金表面的氧化膜部分溶解，使其產(chǎn)生一定的孔隙，讓基體上的鋁與著色溶液得以接觸并反應(yīng)，并不斷析出單質(zhì)金屬銅，反應(yīng)式如式（1）所示：

3Cu（NO3）2+ 2Al= 2Al（NO3）3+3Cu。 （1）

反應(yīng)溶液中的高價(jià)錳離子在高錳酸鉀強(qiáng)氧化作用下，被還原成底價(jià)錳，表面析出的銅同時(shí)被氧化成黑色氧化銅，反應(yīng)式如式（2）所示：

2KMnO4+ 2Cu= K2MnO4+MnO2+2CuO。（2）

成膜的過程中鋁合金表面的顏色由白轉(zhuǎn)黃并加深變紅，后變棕最后呈黑色，即是CuO本色，也證實(shí)了上述黑色轉(zhuǎn)化膜的形成原理。

2 膜層防護(hù)性能檢測實(shí)驗(yàn)

2.1 膜層耐蝕性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用制備酸性點(diǎn)液，對色膜進(jìn)行點(diǎn)滴試驗(yàn)，檢測其耐蝕性能。在膜層表面點(diǎn)滴試劑，或?qū)⒃嚰糜谠囼?yàn)溶劑中，在確定的時(shí)間內(nèi)，觀察膜層的表面被腐蝕變化的情況，判斷膜層是否完整，是否有褪色脫落現(xiàn)象，表面是否有明顯的腐蝕面，以此評價(jià)膜層耐蝕性的好壞。

1）耐酸腐蝕實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)溶液成為30 mL 5%鹽酸，2 g重鉻酸鉀，70 mL蒸餾水，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，測試時(shí)間5 min。試驗(yàn)結(jié)果：膜層表面未見明顯褪色，有少許白色的蝕點(diǎn)出現(xiàn)。圖1中（a）、（b）為耐酸實(shí)驗(yàn)前后膜層表面放大400倍比對情況，結(jié)果表明表面膜層具有一定耐酸性。

2）耐堿腐蝕實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)溶液為4% NaOH溶液，實(shí)驗(yàn)溫度為常溫，測試時(shí)間5 min。試驗(yàn)結(jié)果：膜層顏色稍變淡，但基本完整，局部有較小腐蝕點(diǎn)。圖2中（a）、（b）為耐堿實(shí)驗(yàn)前后膜層表面放大400倍比對情況，結(jié)果表明表面膜層具有一定耐堿性。

3）耐鹽腐蝕實(shí)驗(yàn)

選擇中性5%氯化鈉（PH為6～7）的水溶液進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為常溫，測定鹽霧為1.5 mL/90 cm2·h的沉降率，測試時(shí)間6 h。試驗(yàn)結(jié)果：有一定數(shù)量白色蝕點(diǎn)出現(xiàn)，膜層比較完整。圖3中（a）、（b）為耐鹽實(shí)驗(yàn)前后膜層表面放大400倍比對情況，結(jié)果表明表面膜層具有一定耐中性鹽的能力。

在上述對膜層耐酸、耐堿和耐中性鹽的腐蝕測試實(shí)驗(yàn)中，膜層基本完整，表面有一定的蝕點(diǎn)出現(xiàn)，沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的褪色脫落現(xiàn)象，表明該轉(zhuǎn)化膜層具有一定的綜合耐腐蝕能力，但隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，蝕點(diǎn)面積增大，腐蝕會隨之加劇。

2.2 膜層附著性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用定性交叉劃痕檢驗(yàn)法，用鋒利的刀刃，由膜層向基體方向劃交叉#痕，以1 mm間隔交叉劃痕后，在顯微鏡下放大100倍觀察膜層斷面在劃痕邊沿處是否有翹殼、脫落現(xiàn)象，以此評價(jià)附著性好壞。

2.3 膜層耐磨性實(shí)驗(yàn)

選擇摩擦法進(jìn)行耐磨性能的測試，具體采用200 g的摩擦橡皮，用橡皮在尺寸為30 mm的膜層上進(jìn)行擦拭，摩擦恒壓施力，摩擦次數(shù)與膜層磨損效果應(yīng)成正比例關(guān)系，摩擦一定次數(shù)后，觀察膜層磨損擦光的程度，以此評價(jià)耐磨性能的好壞。在經(jīng)過恒壓摩擦200次后，膜層表面還未有明顯磨損顯光亮現(xiàn)象。而經(jīng)歷500次后，膜層已出現(xiàn)較明顯的發(fā)亮現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)化膜有一定的耐磨性，但隨著摩擦次數(shù)增加出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，耐磨性能還需改善加強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

色膜表面由黑色氧化銅成膜，膜層不斷在反應(yīng)中得以生長，厚度增加。膜層表面的被氧化產(chǎn)生的孔隙被堵塞，使膜層的孔隙率減小，可得到均勻、致密、附著良好的黑色轉(zhuǎn)化膜。

轉(zhuǎn)化膜層主要為銅離子，其電極電位為+0.34 v，高于鋁合金基體的-1.66 v[4]，在確保色膜的完整和致密性的前提下，可以獲得較好的陰極防護(hù)效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其膜層都有較好的附著結(jié)合性和耐磨性，但隨反應(yīng)時(shí)間增加出現(xiàn)蝕點(diǎn)現(xiàn)象，要提高膜層耐腐蝕性還應(yīng)提出固化方案以改善其防護(hù)性能。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，這種在常溫下實(shí)現(xiàn)著色的無鉻轉(zhuǎn)化膜，綠色節(jié)能，工藝簡單，可以實(shí)現(xiàn)批量生，且膜層有良好的結(jié)合性和耐磨性，有一定的耐蝕性。該鋁合金轉(zhuǎn)化膜層其防護(hù)性能可以滿足日常實(shí)際使用的需求，但也有進(jìn)一步改善提高的研究空間。

參考文獻(xiàn)：

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[3]陳素，周元康. 汽車刮水器鋁合金鉚釘?shù)姆顷枠O氧化著色研究[J]. 現(xiàn)代機(jī)械，2009（1）：48-52.

[4]梁志杰.現(xiàn)代表面鍍覆技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005.

（責(zé)任編輯：曾 晶）