鋁合金有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合無(wú)鉻鈍化膜的耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

胡會(huì)松

（深圳市鑫明達(dá)環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 深圳 518000）

腐蝕問(wèn)題是金屬使用過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一，金屬表面預(yù)處理的重要方式之一為鉻酸鹽鈍化技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域中得出廣泛運(yùn)用。隨著目前環(huán)保問(wèn)題的重視，多個(gè)領(lǐng)域中均開(kāi)始禁止鉻酸鹽使用，由此無(wú)鉻鈍化工藝逐漸受到歡迎。

1 無(wú)鉻鈍化膜的耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

本次實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中選取的材料為2024鋁合金、純鋁、5052鋁合金。實(shí)驗(yàn)研究中，電化學(xué)表面運(yùn)用尺寸為1cm×1cm×1cm，選擇15cm×7.5cm×2mm鹽霧試驗(yàn)材料，設(shè)置7.5cm×5mm×2mm硫酸銅點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)所用材料，選擇蒸餾水作為實(shí)驗(yàn)用水。選擇天津市巴斯夫化工有限公司生產(chǎn)的氫氧化鈉，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的硝酸，上海埃彼化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的氟化鈉，天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的乳化劑OP-10，萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)工廠生產(chǎn)的鹽酸37%。天津市巴斯夫化工有限公司生產(chǎn)的鄰苯二甲酸二丁酯[1]。

表1 純鋁化學(xué)組成

制備鈍化膜，將選擇的鋁合 金運(yùn)用1000#、600#、2000#水磨金相砂紙打磨掉表面一些缺陷，包括毛刺、表面機(jī)械損傷等，直至表面無(wú)明顯劃痕。

將打磨完成的鋁合金放至無(wú)水乙醇之中進(jìn)行10min超聲處理，將打磨之后的金屬碎屑去掉，以此保持金屬表面的干凈整潔。在45℃下將堿性脫脂溶液進(jìn)行4min脫脂處理，將表面的金屬油脂等雜物去掉。對(duì)鋁合金使用2%AHNO3進(jìn)行2min鋁合金處理，將表面的黑灰色膜去除。

2 鋁合金有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合無(wú)鉻鈍化膜耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)

2.1 進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試

電化學(xué)性能測(cè)試方法在金屬腐蝕檢測(cè)方式運(yùn)用較為顯著，能夠充分反映鈍化膜保護(hù)激勵(lì)以及金屬腐蝕過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)而快速地檢測(cè)。動(dòng)電位極化曲線、交流阻抗譜法是最為常見(jiàn)的運(yùn)用技術(shù)。本次研究中運(yùn)用PARSTAT 2273電化學(xué)工作站，以此觀測(cè)鋁合金試樣的電化學(xué)表征。選用15mm×15mm尺寸的電極，以環(huán)氧樹(shù)脂封包電極的多個(gè)層面。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，運(yùn)用1000#、2000#、600#、1500#水磨砂紙打磨鋁合金的工作電極，完成之后以二次蒸餾水將其表面充分清理干凈。將打磨完成的鋁合金放至無(wú)水乙醇之中進(jìn)行10min超聲處理，水洗之后以無(wú)水乙醇或者丙酮擦拭干凈。

將實(shí)驗(yàn)裝置放置好，準(zhǔn)備3.5wt%NaCI溶液，將裝置放置在溶液之中進(jìn)行30min浸泡，完成之后測(cè)量電極體系開(kāi)路電位即OCP。在5min時(shí)間之內(nèi)，若開(kāi)路電位的振動(dòng)幅度低于2mV，則說(shuō)明電極體系開(kāi)路電位狀態(tài)較為穩(wěn)定，此時(shí)可以進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。

電化學(xué)阻抗譜EIS測(cè)試過(guò)程中激勵(lì)信號(hào)選擇正弦波，設(shè)置10mV振幅，選擇1000kHz～10mHz掃描范圍。運(yùn)用Z Simp Winver.3.軟件21對(duì)所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析。5050鋁合金測(cè)試過(guò)程中設(shè)置-600mV～+250mV電位掃描范圍，設(shè)置25mV/s掃描速度[2]。

針對(duì)2024鋁合金、純鋁測(cè)試過(guò)程中設(shè)置-250mV～+250mV電位掃描范圍，設(shè)置0.5mV/s掃描速度。電化學(xué)測(cè)試過(guò)程中的腐蝕介質(zhì)選擇3.5wt%NaCI溶液。在室溫狀態(tài)下進(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)中的相關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)用Power suitever.2.58軟件進(jìn)行分析，在對(duì)所得出的電化學(xué)數(shù)據(jù)擬合分析過(guò)程中則運(yùn)用Tafel外推法，由此得出最終的腐蝕動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

運(yùn)用電化學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試無(wú)鉻鈍化、空白、鉻酸鹽鈍化三種樣品腐蝕性，研究無(wú)鉻鈍化樣品與其他樣品之間腐蝕性能差異。

表2 無(wú)鉻鈍化、空白鉻酸鹽鈍化樣品相關(guān)數(shù)值

從表格中能夠看出，無(wú)鉻鈍化樣品腐蝕電流為1.261×10-1uAcm2，與空白樣品相比小3個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2 進(jìn)行表面性能測(cè)試

選擇JSM-6700F型號(hào)的SEM電子顯微鏡進(jìn)行鈍化膜表面形態(tài)掃描分析。運(yùn)用EDS能譜分析儀檢測(cè)鈍化膜組分以及其中含量。在對(duì)鈍化膜測(cè)試方面則運(yùn)用XRD X-射線能譜儀測(cè)試，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置10°≤20°≤90°實(shí)驗(yàn)衍射角。通過(guò)表面測(cè)試而得出膜層中的一些相關(guān)數(shù)據(jù)，主要表現(xiàn)為膜層組成信息以及圍觀形貌等，通過(guò)對(duì)這些信息的整合而進(jìn)行成膜耐腐蝕機(jī)理研究與成膜機(jī)理研究。

2.3 進(jìn)行硫酸銅點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)

目前鋁合金耐腐蝕性能最為常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方式之一是硫酸銅點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)，在臨床中運(yùn)用最為廣泛。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究能夠看出，鋁合金表面鈍化膜層的耐腐蝕性能研究層面，進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)與點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸鲆恢碌臋z測(cè)結(jié)果，可對(duì)鈍化膜耐蝕性情況進(jìn)行定性體現(xiàn)，在耐腐蝕檢測(cè)方面具有很強(qiáng)的代表性。點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)在實(shí)踐運(yùn)用中較為廣泛，能夠定性而快速地反映出鈍化膜耐腐蝕性情況，同時(shí)起操作過(guò)程與實(shí)驗(yàn)運(yùn)用方法也較為簡(jiǎn)單。硫酸銅點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)方法為鋁合金點(diǎn)滴檢測(cè)過(guò)程中最為常見(jiàn)的運(yùn)用方式之一。

圖1 5052鋁合金硫酸銅點(diǎn)實(shí)驗(yàn)圖

此次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，相關(guān)的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)參照國(guó)標(biāo)GB6807-86，選擇35g/LNaCI、41g/LCuSO4·5H2O、18ml/L37%HCI。研究過(guò)程中在室溫狀態(tài)下，把藍(lán)色硫酸銅點(diǎn)滴液滴在室溫狀態(tài)之下滴在金屬表面位置，從而以此觀察溶液中顏色的變化情況，將溶液從藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏臅r(shí)間使用秒表進(jìn)行記錄。針對(duì)每一個(gè)試片進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在每一個(gè)試片區(qū)中進(jìn)行三次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，并在其中五個(gè)不同位置點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)滴測(cè)試，得出以上圖示結(jié)果，在圖中選擇平均數(shù)值。

2.4 硅烷氟鋯酸鹽鈍化工藝分析

鈍化液的主要化學(xué)成分包括六氟鋯酸鉀、氟化氫、硅烷聚合物、六氟鈦酸鉀等，成膜性能較為良好。硅烷氟鋯酸鹽鈍化工藝研究過(guò)程中相關(guān)的參數(shù)數(shù)值見(jiàn)下表3。

表3 硅烷氟鋯酸鹽鈍化工藝

鈍化工藝參數(shù)的主要影響因素為鈍化溫度、烘干溫度、ph、鈍化時(shí)間、空停時(shí)間等，研究過(guò)程中重點(diǎn)考察這幾個(gè)層面數(shù)據(jù)。企業(yè)與科研過(guò)程中經(jīng)常運(yùn)用到的研究方法為正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，給方式較為簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)，運(yùn)用過(guò)程中能夠顯著減少工作量。由此能夠分析工藝研究中各項(xiàng)參數(shù)之間的影響關(guān)系，并分析出最大的影響要素，從而據(jù)此制定出最佳的鈍化工藝參數(shù)。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果以及參數(shù)數(shù)值對(duì)金屬表面位置進(jìn)行預(yù)處理，以此固化成膜。完成之后觀察鈍化膜的表面顏色與外觀情況，之后按照國(guó)標(biāo)GB6807-86中的相關(guān)規(guī)定配置硫酸銅并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

從鈍化膜的外觀位置能夠大致看出鈍化膜外觀的好壞情況，較為理想的鈍化膜的外觀情況為成膜較為均勻，具有較為良好的光澤度，顏色較為飽和。但是這種依靠外部形態(tài)的觀測(cè)方式容易出現(xiàn)失誤，而硫酸銅點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)操作方式的運(yùn)用能夠得出較為精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，可避免實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)，由此實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程中可使用外觀判斷法作為輔助方式，而以硫酸銅點(diǎn)實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)研究標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)研究中最佳的鈍化溫度15℃，最佳鈍化時(shí)間60s，HP值2，烘干溫度50℃，最佳空停時(shí)間為5s，次要研究要素為烘干溫度，對(duì)鈍化膜耐腐蝕性影響較為有限，一般設(shè)置50℃～110℃烘干溫度。

3 結(jié)語(yǔ)

硅烷成膜性較為良好，能夠有效防護(hù)鋁合金，因此有機(jī)成膜劑選擇硅烷。為了提升涂層和金屬基體結(jié)合力，可以利用含鋯溶液對(duì)金屬進(jìn)行一定的鈍化處理，由此提升金屬耐腐蝕性，主要無(wú)機(jī)成膜劑可以選擇氟鋯酸鹽。本文通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)研究能夠得出所，與空白樣品相比，無(wú)鉻鈍化樣品具有較高的耐腐蝕性，具有與鉻酸鹽鈍化樣品大致相同的耐腐蝕性。