汽車行李架鋁陽極氧化耐酸堿工藝開發(fā)

王志明，高用文，陳旭丹，李寶山

（1.天津德威金屬表面處理有限公司，天津300160；2.天津科瑞爾表面處理檢測有限公司，天津300160）

近年來，SUV 車型在全球市場銷售火熱，SUV車型的標(biāo)志性配件車頂行李架的生產(chǎn)主要以鋁材為主，而高光亮行李架的外觀更是得到了大眾的認(rèn)可。用戶對這一類裝飾性配件不僅有外觀的要求，在耐腐蝕和耐酸堿的性能方面同樣有較高的要求。在酸性溶液中，溶液中的H+很容易進(jìn)入氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)中并與孔壁中的Al2O3反應(yīng)生產(chǎn)白色的鋁鹽，同理，在堿性溶液中，溶液中的OH?很容易進(jìn)入氧化膜的多孔結(jié)構(gòu)中并與孔壁中的Al2O3反應(yīng)生產(chǎn)偏鋁酸鈉，而經(jīng)過封閉后的氧化膜的表面能夠有效地阻止 H+離子或者 OH?的腐蝕［1‐2］。所以有效的氧化膜封閉層既可以達(dá)到耐酸堿的效果，同時(shí)大大增強(qiáng)鋁基材的抗腐蝕能力，滿足了汽車零部件的性能需求。

隨著汽車制造工藝的不斷提高，對鋁基材行李架的耐堿要求又有了新的更高要求，為了滿足各類汽車清洗條件下，行李架的外觀不會由于過高的堿性溶液清洗造成外觀的變化，各主流的主機(jī)廠普遍在耐鹽霧 480 h 的基礎(chǔ)上，增加了 pH 1.0，pH 12.5 和pH 13.5 的要求［3］，來應(yīng)對在日常汽車清洗過程中造成的高光行李架失光的現(xiàn)象。其中pH 13.5 的耐酸堿測試是較為嚴(yán)苛的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)要求，本篇通過工藝的優(yōu)化，在滿足外觀和原有耐腐蝕性能的前提下，通過了更嚴(yán)苛的耐堿pH 13.5實(shí)驗(yàn)。

1 樣品制作工藝流程

實(shí)驗(yàn)樣品采用型號6061 的鋁制行李架。共選取了四組制作工藝，工藝參數(shù)如表1所示，其中前處理和氧化環(huán)節(jié)的工藝采用相同的條件，在保證鋁制行李架表面光澤度250～300 gu和厚度7～10 μm 的基礎(chǔ)上，分別選取冷封時(shí)間10 min、20 min和熱封時(shí)間10 min、20 min 的交叉工藝組合，樣品制作后安排后續(xù)的相關(guān)的性能測試［4］。

實(shí)驗(yàn)中的樣品在天津德威金屬表面處理有限公司生產(chǎn)線線上完成，其它全部實(shí)驗(yàn)在集團(tuán)技術(shù)中心天津科瑞爾表面處理檢測有限公司各檢測室完成，樣品制作全部化學(xué)品采用菲尼克公司產(chǎn)品。

2 測試方法

2.1 膜厚和光澤度

采用德國Fischer FMP 30 測厚儀測定陽極氧化層膜厚，氧化膜厚控制在7～10 μm；采用德國BYK 4333 型光澤度儀測定表面光澤度，測光澤度控制在250～300 gu［3］。

2.2 耐堿實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品在測試溶液中浸泡10 min，溫度控制在20～23 ℃范圍內(nèi)，然后用清水沖洗，并采用空氣干燥的方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后表面不應(yīng)該有變化（表面不允許拋光）。

溶液組成：12.7 g/L 氫氧化鈉、4.64 g/L 磷酸鈉和0.33 g/L氯化鈉，溶液pH為13.5。

2.3 耐酸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品在測試溶液中浸泡10 min，溫度控制在20～23 ℃范圍內(nèi)，然后用清水沖洗，并采用空氣干燥的方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后表面不應(yīng)該有變化（表面不允許拋光）。

溶液組成：10 g/L 二甲苯磺酸鈉（40%）、14 g/L十二烷基苯磺酸（70%）、3 g/L Triton X 100、5 g/L二乙醇單丁醚和5 g/L硫酸（93%），溶液pH為1.0。

表1 樣品制作的工藝流程及參數(shù)Tab.1 Technological process and parameters of sample preparation

2.4 洗車實(shí)驗(yàn)

采用模擬汽車行業(yè)的洗車過程：使用纖維布以1 kg 的力，來回摩擦工件表面100 次，然后樣品在測試溶液中浸泡10 min，溫度控制在20～23 ℃范圍內(nèi)，然后用清水沖洗，并采用空氣干燥的方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后表面不應(yīng)該有變化（表面不允許拋光）。

測試溶液組成：30 g Triton X 100、80 g 二甲苯磺酸鈉（40%）、30 g 二乙醇單丁醚、40 g 硅酸鈉溶液（27%）、20 g EDTA（98%）、1.27 g 氫氧化鈉、500 mL純水，溶液pH為12.5。

2.5 CASS鹽霧實(shí)驗(yàn)

采用專用的CASS 鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行8 h 測試，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T12967.3-2008 測試后樣品表面不應(yīng)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，但允許存在輕微的不引起反感的外觀變化。

2.6 NSS中性鹽霧實(shí)驗(yàn)

采用專用的NSS 鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行480 h 測試，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T10125-2012，測試后樣品表面不應(yīng)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 膜厚和光澤度

經(jīng)過測試，四種樣品的陽極氧化膜的膜厚均保持在 8 μm 以上，表面光澤度 250 gu 以上，其中樣品G080102 光澤度308 gu，略高于上限300 gu，考慮到儀器誤差和品質(zhì)控制，仍屬于合格品，4 種測試樣品均滿足了車頂行李架外觀的基本要求，屬于合格品。

3.2 耐堿實(shí)驗(yàn)

四種工件經(jīng)過腐蝕后，G080101，G080102，G080201均發(fā)生了表面過度失光和發(fā)白起灰的外觀變化，G080202 樣品表面未見明顯的變化（見圖1）。說明通過增加冷封和熱封工藝的時(shí)間到20 min，可有效的提升冷封和熱封效果，能夠顯著改善樣品在耐堿pH 13.5測試中的表現(xiàn)。

圖1 G080202樣品耐堿pH 13.5測試后表面狀態(tài)Fig.1 Surface state of G080202 sample after alkali re‐sistance pH13.5 test

3.3 耐酸實(shí)驗(yàn)

四種工件經(jīng)過腐蝕后，表面均未見明顯的變化，圖2 為G080202 樣品耐酸實(shí)驗(yàn)前后表面狀態(tài)的對比圖。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，10 min 冷封加10 min 熱封的工藝已經(jīng)可以滿足耐酸實(shí)驗(yàn)的要求，同時(shí)冷封、熱封時(shí)間的增加并不會影響樣品對耐酸實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

3.4 洗車實(shí)驗(yàn)

四種工件經(jīng)過洗車pH 12.5測試后，表面未見明顯變化，圖3 為G080202 樣品洗車實(shí)驗(yàn)前后表面狀態(tài)對比圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，10 min 冷封結(jié)合10 min熱封的工藝已經(jīng)可以滿足洗車實(shí)驗(yàn)的要求，增加封閉的時(shí)間后，陽極氧化膜有了更高的耐堿效果，而且沒有影響膜層原有的耐摩擦性能。

圖2 G080202樣品耐酸實(shí)驗(yàn)前后表面狀態(tài)對比Fig.2 Surface state comparison of G080202 before and after acid resistance test

圖3 G080202樣品洗車實(shí)驗(yàn)前后表面狀態(tài)對比Fig.3 Surface state comparison of G080202 before and after car wash test

3.5 CASS鹽霧實(shí)驗(yàn)

CASS 實(shí)驗(yàn)8 h 后，四種樣品表面未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，圖4 為 G080202 樣品經(jīng)過 CASS 實(shí)驗(yàn) 8 h 和 16 h后的工件表面狀態(tài)?？梢钥闯觯珿080202 樣品經(jīng)極限實(shí)驗(yàn)16 h后，在工件表面的劃傷位置出現(xiàn)腐蝕，但仍在可接受的程度。四種樣品的極限實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，冷封和熱封的工藝雖然可以滿足一定的CASS鹽霧要求，但是增加時(shí)間并沒有顯著提高和改善該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

圖4 G080202樣品CASS實(shí)驗(yàn)工件表面狀態(tài)Fig.4 Workpiece surface state of G080202 sample after CASS test

3.6 NSS中性鹽霧實(shí)驗(yàn)

圖5 為 G080202 樣品經(jīng) NSS 實(shí)驗(yàn) 240 h 和 480 h測試后的表面狀態(tài)。經(jīng)過480 h的中性鹽霧實(shí)驗(yàn)后，四種樣品的基體均未出現(xiàn)腐蝕，表面幾乎無任何變化，冷封和熱封配合的工藝已經(jīng)可以充分滿足480 h的中性鹽霧實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)最終的結(jié)果為中性鹽霧的時(shí)間有較長的極限時(shí)間，但此文暫不對此展開討論。

圖5 G080202樣品經(jīng)NSS實(shí)驗(yàn)后的工件表面狀態(tài)Fig.5 Workpiece surface state of G080202 sample after NSS test

表2 為四種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的匯總，可以看出冷封加熱封兩種封閉工藝的配合下，均能夠滿足基礎(chǔ)的耐酸、洗車、8 h CASS 實(shí)驗(yàn)、480 h NSS 實(shí)驗(yàn)的要求，但是耐堿實(shí)驗(yàn)中，G080101、G080102 和 G080201 三個(gè)樣品均出現(xiàn)表面失光的問題，但是G080202 實(shí)驗(yàn)在同時(shí)提高冷封和熱封時(shí)間到20 min 后，表面未發(fā)生變化，滿足了實(shí)驗(yàn)要求。

表2 各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果匯總Tab.2 Summary of experimental test results

4 結(jié)論

本文采用多封閉層的方法，研究了不同封閉工藝對耐酸堿測試的影響。研究發(fā)現(xiàn)采用冷封20 min和熱封20 min 的工藝條件下制備的樣品通過了所有測試，說明通過延長冷封和熱封的時(shí)間制備的樣品在滿足基本的 pH 1.0，pH 12.5 和 CASS、NSS 鹽霧實(shí)驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步滿足更為嚴(yán)苛的pH 13.5 的測試要求，使原有的傳統(tǒng)冷封和熱封工藝的耐堿性能進(jìn)一步得到了提升。未來生產(chǎn)過程中如果遇此耐堿測試，亦可通過此工藝方法進(jìn)行調(diào)整解決。