5052鋁合金草酸陽極氧化和鉻酸陽極氧化工藝研究

周艷麗

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院機電工程系，河南鄭州451191）

陽極氧化是鋁合金最常用的表面處理工藝之一，目的是賦予鋁合金在工程應(yīng)用中所需的優(yōu)良物理性能和化學(xué)性能，如高硬度、耐磨損、耐腐蝕和電絕緣等［1］。根據(jù)使用的電解液性質(zhì)和工藝條件不同，鋁合金陽極氧化工藝主要有硫酸、草酸、鉻酸、磷酸陽極氧化工藝，硬質(zhì)陽極氧化工藝和瓷質(zhì)陽極氧化工藝等［2］。每種陽極氧化工藝都有其優(yōu)缺點，在鋁合金表面處理中發(fā)揮著重要的作用。

5052 鋁合金屬于5×××系列鋁合金，中等強度，易于加工成型且具有良好的焊接性，但其存在著強度與耐腐蝕性能不能兼顧的問題。因此，在保證5052鋁合金強度的同時改善其耐腐蝕性能，進行陽極氧化處理是一種有效的途徑。陳梁等［3］采用硬質(zhì)陽極氧化工藝對5052 鋁合金進行處理，通過單因素實驗優(yōu)選出最佳工藝參數(shù)，并研究了最佳工藝參數(shù)下制備的陽極氧化膜性能。楊笠等［4］采用硫酸陽極氧化工藝對5052 鋁合金進行處理，重點研究了多孔層微孔的形狀對陽極氧化膜耐腐蝕性能的影響。穆偉［5］采用草酸陽極氧化工藝對5052 鋁合金進行處理，并研究了陽極氧化處理后5052 鋁合金的耐腐蝕性能。本文重點研究5052 鋁合金草酸陽極氧化工藝和鉻酸陽極氧化工藝，比較了草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的厚度、形貌和耐腐蝕性能。

1 實驗

1.1 實驗材料及其預(yù)處理

實驗材料為5052 鋁合金試樣，其化學(xué)成分見表1所示。

表1 5052鋁合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 5052 aluminum alloy

實驗前，用1200 目砂紙打磨去除試樣暴露在空氣中時表面自然形成的氧化膜，然后在堿性溶液中浸泡10 min左右。除油后再進行酸洗，利用酸的浸蝕作用徹底清除試樣表面的油污、灰塵和氧化膜。酸洗后試樣的表面狀況滿足要求，清洗并干燥后即可進行草酸陽極氧化和鉻酸陽極氧化。表2為除油和酸洗溶液成分及工藝條件。

1.2 草酸陽極氧化和鉻酸陽極氧化

采用直流陽極氧化電源，將處理后的5052 鋁合金試樣作為陽極置于電解液中，通電后基于電解原理在試樣表面形成氧化膜。草酸陽極氧化的電解液成分和工藝條件為：草酸50 g/L、電壓45 V、電流密度1?4 A/dm2、電解液溫度25 ℃、時間55 min。鉻酸陽極氧化的電解液成分和工藝條件為：鉻酸40 g/L、電壓40 V、電流密度0?75 A/dm2、電解液溫度35 ℃、時間55 min。

表2 除油和酸洗溶液成分及工藝條件Tab.2 Solution composition and process conditions of oil removal and pickling

1.3 草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的形貌表征與性能測試

采用日立S‐4800 型掃描電子顯微鏡對草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜進行形貌表征。采用SJ‐210 型粗糙度儀對草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜進行表面粗糙度測量，都取4 個位置，分別記錄測量結(jié)果。采用美國普林斯頓PARSTAT 2273型電化學(xué)工作站對草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的極化曲線和阻抗譜進行測試，電極系統(tǒng)為三電極體系：鉑電極為輔助電極、飽和甘汞電極為參比電極、草酸陽極氧化膜試樣和鉻酸陽極氧化膜試樣分別作為工作電極，都在氯化鈉溶液（3?5 wt?%）中進行測試。極化曲線測試時掃描速率為0?5 mV/s，阻抗譜測試從高頻區(qū)的105Hz掃描到低頻區(qū)的10‐2Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的厚度

陽極氧化膜的厚度是指陽極氧化膜的外表面到內(nèi)表面（即陽極氧化膜與基體分界面）的距離，厚度對陽極氧化膜的性能（如耐腐蝕性能、抗彎曲性能等）有很大影響［6］。

圖1（a）和圖1（b）分別為5052 鋁合金試樣草酸陽極氧化后和鉻酸陽極氧化后的截面形貌。圖1（a）顯示草酸陽極氧化膜的厚度約為20 μm，圖1（b）顯示鉻酸陽極氧化膜的厚度約為18 μm，可以說兩種陽極氧化膜的厚度比較接近。

圖1 5052鋁合金試樣陽極氧化后的截面形貌Fig.1 Section morphology of 5052 aluminum alloy sam‐ples after anodic oxidation

2.2 草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的形貌

陽極氧化膜對鋁合金主要起裝飾效果和保護作用，因此陽極氧化膜的形貌質(zhì)量尤其重要。一般來說，陽極氧化膜的形貌質(zhì)量主要包括顏色、表面粗糙度和表面缺陷情況。用肉眼觀察草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的外觀，前者呈淺灰色，后者呈銀白色，兩種陽極氧化膜在宏觀尺度下都不存在表面缺陷。

圖2 為兩種陽極氧化膜的表面粗糙度測量結(jié)果。從圖2 中看出，草酸陽極氧化膜的表面粗糙度約為0?170 μm，鉻酸陽極氧化膜的表面粗糙度約為0?185 μm。草酸陽極氧化膜的表面粗糙度較低，說明其表面平整度較好。

圖2 兩種陽極氧化膜的表面粗糙度測量結(jié)果Fig.2 Surface roughness measurements of two kinds of anodic oxidation films

圖3 為兩種陽極氧化膜的表面形貌。從圖3 中看出，兩種陽極氧化膜表面都分布著很多細小的孔，這是由于鋁合金陽極氧化過程中同時發(fā)生陽極氧化膜形成和陽極氧化膜溶解兩個對立的反應(yīng)，由于陽極氧化膜外表面與電解液直接接觸，極易受到電解液的腐蝕。

圖3 兩種陽極氧化膜的表面形貌Fig.3 Surface morphology of two kinds of anodic oxidation films

2.3 草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的耐腐蝕性能

圖4 為5052 鋁合金試樣、草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的極化曲線。從圖4 中看出，草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的腐蝕電位分別為-412?6 mV、-645?7 mV，都高于5052 鋁合金試樣的腐蝕電位（-750?4 mV）。采用塔菲爾曲線外推法對極化曲線進行擬合，結(jié)果見表3。草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的腐蝕電流密度分別為1?31×10-5A/cm2、1?70×10-5A/cm2，較5052 鋁合金試樣的腐蝕電流密度明顯降低。腐蝕電流密度在理論上可以表征被測材料的腐蝕速率，二者之間存在換算關(guān)系，一般來說，腐蝕電流密度越小，被測材料腐蝕越慢。因此，耐腐蝕性能排序為：草酸陽極氧化膜>鉻酸陽極氧化膜>5052鋁合金試樣。

表3 極化曲線擬合結(jié)果Tab.3 Polarization curve fitting results

圖5 為5052 鋁合金試樣、草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的Nyquist 圖。5052 鋁合金試樣的Nyquist 圖表現(xiàn)為一個曲率半徑很小的容抗弧，鉻酸陽極氧化膜的Nyquist 圖表現(xiàn)為一個曲率半徑稍大的容抗弧，草酸陽極氧化膜的Nyquist 圖則表現(xiàn)為一個曲率半徑更大的容抗弧。容抗弧曲率半徑可以表征腐蝕體系中被測材料發(fā)生腐蝕的難易程度，草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的容抗弧曲率半徑明顯大于5052 鋁合金試樣的容抗弧曲率半徑，說明兩種陽極氧化膜的耐腐蝕性能都優(yōu)于5052鋁合金試樣，其中，草酸陽極氧化膜的耐腐蝕性能更好。這與極化曲線的分析結(jié)果相吻合。

圖4 不同試樣的極化曲線Fig.4 Polarization curves of different samples

圖5 不同試樣的Nyquist圖Fig.5 Nyquist diagram of different samples

大量研究證實，鋁合金表面的陽極氧化膜具有雙層結(jié)構(gòu)［7］：內(nèi)層為阻擋層、外層為多孔層，雙層結(jié)構(gòu)的陽極氧化膜能有效阻礙浸蝕性的氯離子自溶液中向陽極氧化膜與基體分界面擴散，從而減緩電化學(xué)腐蝕進程，對基體起到較好的保護作用。

3 結(jié)論

（1）草酸陽極氧化膜和鉻酸陽極氧化膜的耐腐蝕性能都優(yōu)于5052 鋁合金試樣，耐腐蝕性能排序為：草酸陽極氧化膜>鉻酸陽極氧化膜>5052 鋁合金試樣。

（2）草酸陽極氧化膜的形貌質(zhì)量相對于鉻酸陽極氧化膜來說更好，腐蝕電流密度更低，因此表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性能。