折彎型材內(nèi)腔氧化工藝探究

劉昌明，屈樂柱，王 帥，張 弟，孫 強

(遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽111003)

折彎管材(合金牌號6005A)作為排水管，長期接觸雨水、酸性氣體等腐蝕性物質(zhì)，容易造成管材內(nèi)腔腐蝕[1-3]，因此需要對管材進行表面處理來增加使用壽命。陽極氧化技術(shù)是目前應(yīng)用最廣且最成功的表面處理技術(shù)，它對延長產(chǎn)品的使用壽命起著至關(guān)重要的作用，已經(jīng)成為鋁合金使用中不可缺少的一環(huán)[4]。目前傳統(tǒng)的氧化工藝無法使管材內(nèi)腔生成均勻的氧化膜層，導(dǎo)致內(nèi)腔的耐蝕性能較低[5]。本文研究一種新型的氧化工藝流程，使得管材內(nèi)腔也能生成氧化膜，以此來提高管材內(nèi)腔的耐蝕性能，延長管材的使用壽命。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

選取 3.5m長的折彎排水管作為試驗材料，試樣尺寸如圖1所示。

圖1 試驗材料Fig.1 Test material

1.2 試驗方案

將試驗材料分為兩批，在氧化廠進行試驗。一批按照傳統(tǒng)工藝進行氧化，另一批按照新工藝流程進行氧化，對比試驗型材的內(nèi)腔氧化膜層。傳統(tǒng)工藝流程為，上料→脫脂→水洗→堿蝕→水洗→中和→水洗→氧化→水洗→封孔→水洗→烘干。新工藝流程為，上料→脫脂→水洗→堿蝕→水洗→中和→水洗→穿陰極→氧化→水洗→封孔→水洗→烘干。

工藝參數(shù)改進。(1)穿陰極。將圖2所示的陰極線[6]在試驗樣品氧化處理前穿插在管材內(nèi)部，并連接對應(yīng)氧化槽內(nèi)陰極板。為防止陰極線與產(chǎn)品(陽極)接觸，并且要保證內(nèi)腔中陰極氣體順利排出，在陰極線上每10cm處加設(shè)三角形橡膠墊(圖2中綠色三角)。(2)上料。上料時可將物料傾斜20°～40°，使氧化產(chǎn)生的氣體可以順利排出。

圖2 試驗陰極線Fig.2 Test cathode line

1.3 檢測方法

將試樣分為三個區(qū)域，A、B、C區(qū)，A、C兩區(qū)分別為試樣左、右兩端20cm處，剩余部分為C區(qū)。

(1)宏觀觀察。用肉眼觀察兩種工藝制得產(chǎn)品內(nèi)腔的氧化膜層是否均勻，對比分析得出結(jié)論。

(2)膜厚檢測。使用便攜式膜厚儀對表面氧化膜厚度進行檢測，并對比兩種工藝制得產(chǎn)品氧化膜厚不同未知的內(nèi)外膜層差異。

(3)粗糙度檢測。使用便攜式粗糙度測試儀對外層膜層表面粗糙度進行檢測，并對比新工藝制得產(chǎn)品內(nèi)外層氧化膜粗糙度差異，檢驗?zāi)淤|(zhì)量，若存在粉化現(xiàn)象，則粗糙度明顯會高于正常位置[7]。

(4)耐腐蝕性能檢測。根據(jù)根據(jù)GB/T 12967.3-2022《鋁及鋁合金陽極氧化膜及有機聚合物膜檢測方法第3部分：鹽霧試驗》進行銅加速乙酸鹽霧(CASS)試驗，，并按照GB/T 6461-2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗后的試樣和試件的評級》進行腐蝕結(jié)果的評級。

2 結(jié)果分析

2.1 宏觀圖片

圖3為傳統(tǒng)氧化工藝與新工藝流程所得產(chǎn)品的內(nèi)腔宏觀圖(剖面圖)。傳統(tǒng)工藝所制得的試樣只在兩端端頭(約12cm)處存在氧化膜，且顏色均勻，除此之外C區(qū)出現(xiàn)彩虹膜[8]，用鋁線輕輕刮蹭，表面出現(xiàn)劃痕，表明內(nèi)腔中間表面無膜或僅存在一層較薄的氧化膜；圖3(b)為改進氧化工藝后試樣內(nèi)腔宏觀圖，可以看出內(nèi)腔表面氧化膜顏色均勻，且無氣泡印、粉化等不良缺陷。因此，宏觀圖像可知，新工藝流程所制得試樣表面氧化膜層顏色均勻，且內(nèi)腔均存在氧化膜。

(a)傳統(tǒng)工藝流程；(b)新工藝流程圖3 試樣內(nèi)腔宏觀圖Fig.3 Macroscopic view of specimen cavity

2.2 膜層厚度

每隔10cm對內(nèi)腔膜厚進行測量，得到兩種工藝所制得產(chǎn)品內(nèi)腔膜厚變化趨勢圖，如圖4所示。

圖4 兩種工藝所制得產(chǎn)品的膜厚變化趨勢圖Fig.4 Trend chart of film thickness of product produced by two processes

由圖中可以看出，傳統(tǒng)工藝流程得出的內(nèi)腔膜厚值變化較大，只在A、C兩區(qū)有氧化膜，B區(qū)大部分位置氧化膜層厚度均為0。這是由于傳統(tǒng)工藝流程沒有加裝陰極線，氧化時型材腔體內(nèi)部產(chǎn)生電流屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)腔沒有膜層及兩端出現(xiàn)彩虹膜。而采用新工藝流程后，產(chǎn)品內(nèi)腔均有氧化膜，且厚度變化較小，各位置膜厚均勻。這就說明新工藝流程可生產(chǎn)均勻膜厚的產(chǎn)品。

2.3 耐腐蝕性能

2.3.1 24h腐蝕試驗

圖5和圖6分別為兩種工藝下，產(chǎn)品進行24h銅加速鹽霧腐蝕后內(nèi)腔膜層腐蝕的宏觀形貌圖和腐蝕孔微觀形貌圖。由圖可知，兩種工藝下宏觀形貌表面均出現(xiàn)了肉眼可見的點狀腐蝕，而且由于傳統(tǒng)工藝流程試樣由于內(nèi)腔無膜或膜層缺陷，導(dǎo)致試樣出現(xiàn)大量腐蝕孔，腐蝕情況較為嚴重。新工藝流程氧化后的試樣表面腐蝕點個數(shù)不多，腐蝕孔的直徑約為0.9mm，且深度也比傳統(tǒng)工藝流程的產(chǎn)品淺。對內(nèi)腔氧化膜耐蝕性能進行評級，傳統(tǒng)工藝流程得出的氧化膜保護級別為4.5級，新工藝流程得出的氧化膜保護級別為8.5級。

(a)傳統(tǒng)工藝流程產(chǎn)品；(b)新工藝流程產(chǎn)品圖5 24h鹽霧腐蝕宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of 24h salt spray corrosion

(a)傳統(tǒng)工藝流程產(chǎn)品；(b)新工藝流程產(chǎn)品圖6 24h腐蝕孔微觀形貌Fig.6 Micro-morphology of 24h corrosion hole

2.3.2 48h腐蝕試驗結(jié)果

圖7為兩種工藝下產(chǎn)品進行48h鹽霧腐蝕后內(nèi)腔膜層腐蝕的宏觀形貌圖，圖8為腐蝕孔微觀形貌圖。

(a)傳統(tǒng)工藝流程產(chǎn)品；(b)新工藝流程產(chǎn)品圖7 48h鹽霧腐蝕宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of 48h salt spray corrosion

(a)傳統(tǒng)工藝流程產(chǎn)品；(b)新工藝流程產(chǎn)品圖8 48h腐蝕孔微觀形貌Fig.8 Microscopic morphology of 48h corrosion hole

由圖中可知，內(nèi)腔表面經(jīng)48h鹽霧腐蝕試驗后，腐蝕點數(shù)量較24h腐蝕試驗明顯增多，且腐蝕孔直徑也比24h腐蝕試驗后的大(約1.5mm)，且新工藝流程得出的產(chǎn)品腐蝕程度明顯比傳統(tǒng)工藝氧化產(chǎn)品輕。對腐蝕后的內(nèi)腔氧化膜評級：傳統(tǒng)工藝氧化膜保護級別為3.5級；新工藝流程內(nèi)腔氧化膜保護級別為7.5級。這說明新工藝流程得出的氧化膜層具有一定的耐蝕性能。

2.4 新工藝流程氧化膜均勻性

通過對比新工藝產(chǎn)品外層與外腔的膜厚值，可知內(nèi)外氧化膜層厚度存在一定的差異，外層均比內(nèi)腔膜厚值高，高出約2μm ～4μm，且隨著外層膜厚的升高時，外層與內(nèi)腔膜厚差異越大。新工藝流程產(chǎn)品不同區(qū)域氧化膜的粗糙度變化不大，且氧化膜層粗糙度較低，這就說明外層和內(nèi)腔均無膜層粉化缺陷，氧化膜層性能良好，具有一定的保護作用

3 結(jié)論

傳統(tǒng)氧化工藝內(nèi)腔無膜，經(jīng)分析有以下兩個原因：(1)由于陽極氧化過程中陰極會產(chǎn)生大量的氣體，使氣體積壓在管材內(nèi)部，導(dǎo)致腔內(nèi)部分基體無法接觸電解液，使部分位置無氧化膜，產(chǎn)生氧化膜不均的缺陷[9]。(2)氧化時型材腔體內(nèi)部產(chǎn)生電流屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)腔沒有膜層及兩端出現(xiàn)彩虹膜[10]。新工藝流程在產(chǎn)品腔體內(nèi)部加裝陰極，最大程度地減小了電流屏蔽效應(yīng)，且在上料時將物料傾斜20°～40°，可使氧化產(chǎn)生的氣體排出，有效地解決了內(nèi)腔氧化無膜的問題。通過管材內(nèi)腔加穿陰極線及改變上料方式，可制定內(nèi)腔陽極氧化新工藝流程為，上料→脫脂→水洗→堿蝕→水洗→中和→水洗→穿陰極→氧化→水洗→封孔→水洗→烘干。該工藝可使管材內(nèi)腔生成均勻、連續(xù)的氧化膜，膜層粗糙度較低，沒有粉化、彩虹膜等缺陷，且耐蝕性能較好，48h銅加速鹽霧試驗后，氧化膜層的保護級別可達7.5級，有效提高了管材內(nèi)腔的耐蝕性能，增加了產(chǎn)品的使用壽命。