鋁合金鍛造車輪三價鉻鈍化工藝

陳二軍，張澤昭，黨璐瑋

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

鋁合金的密度低、比強(qiáng)度高、塑性好，可加工成各種型材，一些鋁合金可以通過熱處理獲得良好的力學(xué)性能和防腐性能，在航天、建筑、橋梁、船舶、汽車、機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域有廣泛使用。但鋁合金在潮濕環(huán)境中容易發(fā)生局部腐蝕，進(jìn)而影響鋁合金外觀件的美觀[1]。汽車工藝中，常用鋁合金鍛件制造車輪，為了提高其防腐性能，需要對鋁合金進(jìn)行表面處理。目前鋁合金的表面處理方法主要有電鍍、陽極氧化、噴粉、噴蠟、鈍化等。但電鍍、陽極氧化、噴粉、噴蠟的成本高，設(shè)備復(fù)雜，而鈍化工藝相對簡單，且成本低，更易滿足鋁合金鍛造車輪的外觀及防腐的要求。

現(xiàn)有的鈍化工藝主要有三價鉻鈍化、硅酸鈉鈍化、鋯鈦鈍化等，但在鋁合金鍛件上應(yīng)用尚不成熟。劉超等研究了5052鋁合金三價鉻鈍化工藝參數(shù)對其耐蝕性的影響，最優(yōu)工藝參數(shù)下的耐中性鹽霧試驗可達(dá)到120 h[2]。肖鑫等則研究了三價鉻鈍化工藝參數(shù)對ADC12鋁合金耐蝕性的影響，最優(yōu)工藝參數(shù)下的耐中性鹽霧試驗也有120 h[3]。盡管三價鉻鈍化工藝的研究已有報道，但其耐中性鹽霧時間較短，還不能滿足鋁合金車輪長期防腐的要求。本文通過研究三價鉻鈍化工藝參數(shù)對 6061-T6鋁合金鍛件耐蝕性的影響，擬開發(fā)一種適合該產(chǎn)品的鈍化工藝。

1 實驗

1.1 材料

尺寸為100 mm × 50 mm的6061-T6鋁合金車輪鍛件試樣，其主要元素組成為：銅0.15% ~ 0.40%，錳0.15%，鎂0.8% ~ 1.2%，鋅0.25%，鉻0.04% ~ 0.35%，鈦0.15%，硅0.4% ~ 0.8%，鐵0.7%，鋁余量。

1.2 鈍化工藝

工藝流程為：堿洗除油→去離子水洗→酸洗出光→去離子水洗→鈍化→去離子水洗→自然老化。

1.2.1 堿洗除油

采用某工業(yè)用脫脂劑，在50 °C下浸泡試樣5 min。

1.2.2 酸洗出光

采用某市售鋁合金專用酸洗劑30 g/L，在常溫下浸泡試樣2 min。

1.2.3 鈍化

在40 °C下，將試樣浸泡在pH為4.0的鈍化液中。Cr2(SO4)3為主要的鈍化成膜物質(zhì)，K2ZrF6為成膜促進(jìn)劑。主要的工藝參數(shù)見表1。

表1 鈍化工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of passivation

1.2.4 自然老化

常溫下，將試樣置于無塵環(huán)境中24 h。

1.3 性能檢測

1.3.1 厚度及外觀質(zhì)量

三價鉻鈍化膜的厚度采用Dektak 6M型臺階儀測量，探針半徑范圍1.00 ~ 12.5 μm，施加載荷l ~ 30 mg，掃描極限長度是30 mm，極限分辨率最高達(dá)0.75 nm。根據(jù)汽車行業(yè)外飾件的外觀要求，目視成膜情況，尤其是外觀顏色變化、連續(xù)性及均勻性，綜合評價鈍化膜的外觀質(zhì)量。

1.3.2 耐蝕性

按照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》進(jìn)行中性鹽霧(NSS)試驗。試劑為(50 ± 5) g/L NaCl溶液(電導(dǎo)率≤20 μS/cm)，溫度(35 ± 2)°C，pH 6.5 ~ 7.2，噴霧壓力70 ~ 170 kPa，每80 cm2面積的鹽霧沉降量為1.2 ~ 2.0 mL/h，試樣未保護(hù)一面朝上并與垂直方向成20° ± 5°。根據(jù)GB/T 17460-1998《化學(xué)轉(zhuǎn)化膜 鋁及鋁合金上漂洗和不漂洗鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜》對240 h鹽霧試驗后的試樣耐蝕性進(jìn)行評價。

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理后的表面狀態(tài)

堿洗除油、酸洗出光后的表面狀態(tài)如圖1所示，去除了油污及氧化層后，表面變得光亮、潔凈，呈銀白色金屬光澤。

圖1 6061-T6鋁合金前處理后的表面狀態(tài)Figure 1 Surface state of 6061-T6 aluminum alloy after pretreatment

2.2 Cr2(SO4)3質(zhì)量濃度對鈍化膜的影響

Cr2(SO4)3在鈍化液中的主要作用是令鋁合金表面覆蓋一層三價鉻氧化物 Cr2O3及氫氧化物 Cr(OH)3、CrO(OH)[4]。成膜液中Cr2(SO4)3的質(zhì)量濃度分別為5 g/L(1#)、6 g/L(2#)、7 g/L(3#)時，在K2ZrF6質(zhì)量濃度為2 g/L，pH為4，溫度為40 °C，成膜時間為4 min的條件下，鈍化膜厚度依次為445、640和180 nm。鈍化后和鹽霧試驗后試樣的表面狀態(tài)分別如圖2和圖3所示。3個試樣的鈍化膜色澤均勻，均呈青白色，只是3#試樣的顏色較深。另外2#試樣的鈍化膜最厚，3#試樣的最薄。經(jīng)過240 h中性鹽霧試驗后，1#與2#試樣變?yōu)榍嗷疑鶟M足耐鹽霧240 h的要求，其中2#試樣表面無明顯腐蝕；3#試樣表面色澤則變化較大，顏色不均勻，整體呈現(xiàn)灰黑色且泛彩，腐蝕面積也較大，不滿足耐鹽霧240 h的要求。分析原因：Cr2(SO4)3濃度較低時，鈍化反應(yīng)慢，故成膜較?。浑S著Cr2(SO4)3濃度升高，反應(yīng)充分，成膜質(zhì)量變好。Cr2(SO4)3達(dá)到7 g/L時K2ZrF6的量略顯不足，其表面活性作用減弱，故成膜分子與基體之間的結(jié)合作用減弱，使得鈍化膜在基體表面成形不完全，厚度減小，質(zhì)量變差，因而耐蝕性下降。

圖2 6061-T6鋁合金在不同Cr2(SO4)3質(zhì)量濃度下鈍化后的表面狀態(tài)Figure 2 Surface state of 6061-T6 aluminum alloy after being passivated at different mass fractions of Cr2(SO4)3

圖3 6061-T6鋁合金在不同Cr2(SO4)3質(zhì)量濃度下得到的鈍化膜經(jīng)中性鹽霧試驗后的表面狀態(tài)Figure 3 Surface state of 6061-T6 aluminum alloy passivated at different mass fractions of Cr2(SO4)3 after neutral salt spray test

2.3 K2ZrF6質(zhì)量濃度對鈍化膜的影響

K2ZrF6的主要作用是降低鋁合金的表面張力，活化合金表面，促進(jìn)Cr2(SO4)3與基體充分反應(yīng)，從而在鋁合金表面形成均勻的轉(zhuǎn)化膜[5]。成膜液中K2ZrF6的質(zhì)量濃度分別為1 g/L(4#)、2 g/L(2#)、3 g/L(5#)時，在Cr2(SO4)3質(zhì)量濃度為6 g/L，pH為4，溫度為40 °C，成膜時間為4 min的條件下，鈍化膜厚度依次為580、640和600 nm。鈍化后和鹽霧試驗后試樣的表面狀態(tài)分別如圖4和圖5所示。經(jīng)過鈍化處理后，3個試樣表面色澤均勻，均呈青白色。隨促進(jìn)劑濃度增加，試樣表面光澤整體差異較小，但是略有降低。雖然均滿足耐240 h鹽霧腐蝕的要求，但隨著促進(jìn)劑濃度增加，K2ZrF6為3 g/L時制備的5#試樣表面有部分腐蝕斑塊。另外，隨著K2ZrF6質(zhì)量濃度增加，鈍化膜厚度波動較小，以2 g/L時厚度最大。

圖4 6061-T6鋁合金在不同K2ZrF6質(zhì)量濃度下鈍化后的表面狀態(tài)Figure 4 Surface state of 6061-T6 aluminum alloy after being passivated at different mass fractions of K2ZrF6

圖5 6061-T6鋁合金在不同K2ZrF6質(zhì)量濃度下得到的鈍化膜經(jīng)中性鹽霧試驗后的表面狀態(tài)Figure 5 Surface state of 6061-T6 aluminum alloy passivated at different mass fractions of K2ZrF6 after neutral salt spray test

分析原因：K2ZrF6的質(zhì)量濃度影響了鋁合金基體的活性。當(dāng)K2ZrF6質(zhì)量濃度較小時，其表面活化作用較弱，雖可滿足耐鹽霧腐蝕240 h的要求，但形成的鈍化膜較?。欢S著K2ZrF6質(zhì)量濃度增加，鈍化反應(yīng)中基體表面活性增強(qiáng)，反應(yīng)充分，成膜致密均勻，膜層較厚；當(dāng)K2ZrF6質(zhì)量濃度增加到3 g/L時，由于活化作用過強(qiáng)，反應(yīng)劇烈，反而使得成膜結(jié)構(gòu)疏松，成膜不均勻，雖然厚度也較大，但質(zhì)量較差，故鹽霧試驗后表面出現(xiàn)不均勻的腐蝕斑塊。

2.4 鈍化時間對鈍化膜的影響

在成膜液含6 g/L Cr2(SO4)3和1 g/L K2ZrF6，pH為4，溫度為40 °C的條件下，分別鈍化2 min(6#)、4 min(4#)和6 min(7#)，鈍化膜厚度依次為124、590和708 nm。鈍化后和鹽霧試驗后試樣的表面狀態(tài)分別如圖6和圖7所示。3個試樣鈍化后的表面狀態(tài)相差不大。經(jīng)過240 h中性鹽霧試驗后，6#試樣表面有明顯的黑色腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕面積較大，不滿足240 h耐鹽霧要求。隨鈍化時間延長，鈍化膜增厚，鹽霧試驗后表面腐蝕減弱。4#、7#試樣均滿足耐240 h鹽霧試驗的要求。分析原因：鈍化時間過短時，鈍化反應(yīng)不完全，成膜質(zhì)量較差；而隨著時間延長，成膜趨于完全，致密度提高。就工業(yè)應(yīng)用而言，鈍化處理時間過長會浪費資源，因此當(dāng)耐中性鹽霧試驗要求為240 h時，最佳鈍化時間為4 min。

圖6 鈍化不同時間后6061-T6鋁合金的表面狀態(tài)Figure 6 Surface state of 6061-T6 aluminum alloy after being passivated for different time

圖7 6061-T6鋁合金在不同鈍化時間下得到的鈍化膜經(jīng)中性鹽霧試驗后的表面狀態(tài)Figure 7 Surface state of 6061-T6 aluminum alloy passivated for different time after neutral salt spray test

3 結(jié)論

成功開發(fā)了一種適用于6061-T6鋁合金車輪鍛件的三價鉻鈍化工藝，可滿足耐240 h中性鹽霧腐蝕的要求，其成膜厚度能達(dá)到640 nm。獲得最優(yōu)外觀質(zhì)量和耐蝕性的三價鉻鈍化工藝規(guī)范如下：Cr2(SO4)3質(zhì)量濃度6 g/L，K2ZrF6質(zhì)量濃度2 g/L，溫度40 °C，pH 4.0，鈍化時間4 min。