徐曉丹，佟金偉，莊 宇

(1.長春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130012;2.吉林石油集團(tuán)有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售公司，吉林松原 138000;3.大陸汽車電子(長春)有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)部，吉林長春 130033)

硼酸對(duì)鋁合金微弧氧化膜耐蝕性的影響

徐曉丹1，佟金偉2，莊 宇3

(1.長春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130012;2.吉林石油集團(tuán)有限責(zé)任公司儲(chǔ)運(yùn)銷售公司，吉林松原 138000;3.大陸汽車電子(長春)有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)部，吉林長春 130033)

研究了硼酸質(zhì)量濃度對(duì)6060鋁合金表面微弧氧化膜組織和性能的影響。對(duì)在不同硼酸質(zhì)量濃度下生成的鋁合金微弧氧化膜的表面形貌及相組成進(jìn)行了分析;并通過腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)其耐腐蝕性能。結(jié)果表明:微弧氧化膜主要由α-Al2O3和γ-Al2O3相組成，當(dāng)硼酸質(zhì)量濃度為1g/L時(shí)，膜層的表面粗糙度最低;當(dāng)硼酸質(zhì)量濃度為1.5g/L時(shí)，膜層耐蝕性能最佳。

鋁合金;微弧氧化;陶瓷膜;耐蝕性

引 言

鋁及其合金在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，但是鋁的硬度較低，耐磨性和抗腐蝕能力較差，限制了其在工業(yè)上的使用［1-2］。微弧氧化是近年來由陽極氧化發(fā)展而來的一種表面處理新技術(shù)，具有工藝簡單，環(huán)境污染少等特點(diǎn)，且所制備的微弧氧化陶瓷膜耐磨損、耐腐蝕、耐高溫氧化，并且絕緣性較好，因此在航空、航天、機(jī)械、電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高鋁合金的表面微弧氧化涂層的性能，研究者分別從陶瓷層厚度、電解液成分以及電流密度等方面分析了工藝條件對(duì)陶瓷層性能的影響，并得到了較為優(yōu)異的氧化涂層［3-6］。本文采用硅酸鹽為電解液，通過向電解液中加入不同質(zhì)量濃度硼酸，研究硼酸對(duì)鋁合金表面微弧氧化膜組織性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

基體材料為6060型鋁合金(合金成分0.5%Si，0.2%Fe，0.5%Mg 及少量的 Zn 和 Ti，其余為Al)，試片尺寸為30mm×15mm×3 mm。微弧氧化處理前，對(duì)試片的表面進(jìn)行機(jī)械拋光并清洗干凈。

采用MAO-20C型直流微弧氧化裝置，試樣作為陽極，不銹鋼電解槽作為陰極，采用水浴冷卻使電解液溫度保持在50℃以下，陽極電流密度分別為4、5、6 A/dm2，占空比30%，頻率700Hz，微弧氧化處理時(shí)間為30min。電解液為15g/L硅酸鈉、3g/L氫氧化鈉，并分別加入0.5、1.0、1.5g/L 的硼酸。

采用X-射線衍射儀、JSM-5500型掃描電子顯微鏡、OL-S3000型激光共聚焦顯微鏡、EPIPHOT-300型電子顯微鏡分析微弧氧化膜層的相結(jié)構(gòu)和表面形貌，并測(cè)量膜層厚度。利用電化學(xué)分析儀，采用三電極體系，試樣作為工作電極，鉑片作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極，電解液為3.5%NaCl溶液，掃描速度0.3mV/s測(cè)量極化曲線，鹽霧實(shí)驗(yàn)在YWX-Q-150型鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)箱中進(jìn)行。θ為25℃，腐蝕介質(zhì)為50g/L的 NaCl溶液。每隔0.5h噴霧 5min，時(shí)間為 100h。

2 結(jié)果與討論

2.1 硼酸質(zhì)量濃度對(duì)氧化膜相組成的影響

圖1為在不同硼酸質(zhì)量濃度下形成的陶瓷膜層的XRD分析結(jié)果。由圖1看出膜層主要由α-Al2O3和γ-Al2O3組成，微弧氧化膜中α-Al2O3相為主要組成相，γ-Al2O3相是熱力學(xué)非穩(wěn)定相，在1 000～1 200℃條件下可以轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3，α-Al2O3相的各項(xiàng)性能均優(yōu)于γ-Al2O3相［7-8］。根據(jù)估算可以知道陶瓷膜中α-Al2O3比γ-Al2O3的含量高。從圖1中還可以看出，硼酸質(zhì)量濃度的變化對(duì)陶瓷膜層中相的組成影響不大。

圖1 不同ρ(H3BO3)生成的微弧氧化膜的XRD譜圖

2.2 硼酸質(zhì)量濃度對(duì)氧化膜表面形貌的影響

微弧氧化陶瓷膜的形成是由于在較高的電壓下，鋁表面的氧化膜被擊穿，從而產(chǎn)生等離子體微弧放電的緣故，等離子放電通道內(nèi)溫度可高達(dá)2 000～8 000K，壓力可達(dá)100MPa以上。微弧氧化過程較復(fù)雜，同時(shí)存在等離子化學(xué)、電化學(xué)及熱化學(xué)反應(yīng)，最終由于高溫?zé)Y(jié)作用導(dǎo)致放電通道被封閉，同時(shí)生成了陶瓷結(jié)構(gòu)的氧化膜。由于氧化過程中在基體表面會(huì)伴隨有微弧放電，這樣勢(shì)必在基體表面留下大量放電產(chǎn)物。鋁合金在含有不同硼酸質(zhì)量濃度的溶液中，電流密度為5A/dm2，經(jīng)微弧氧化處理30 min后形成的氧化陶瓷膜表面形貌如圖2所示。

圖2 不同ρ(H3BO3)生成的氧化膜的激光共聚焦顯微照片

未加入硼酸的微弧氧化膜表面粗糙度較高，在圖2三維形貌圖片中可以看出膜層表面不是很平整，但隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加，膜層表面變的平整，通過對(duì)圖2(a)～(d)的比較可見，硼酸質(zhì)量濃度1g/L時(shí)，膜層表面比較平整，粗糙度較低。但當(dāng)硼酸質(zhì)量濃度為1.5g/L時(shí)，孔數(shù)增多，粗糙度增大。

2.3 硼酸質(zhì)量濃度對(duì)氧化膜截面形貌的影響

陶瓷層的截面分為外部疏松層和內(nèi)部致密層，膜層與鋁合金基體的結(jié)合是犬牙交錯(cuò)的。隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加致密層增厚。因?yàn)橹旅軐铀憩F(xiàn)出來的硬度、耐蝕、耐磨等性能優(yōu)于疏松層，所以致密層越厚，陶瓷膜綜合性能就越好。硼酸起到了鈍化成膜的作用。微弧氧化膜層的厚度隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加呈增加趨勢(shì)(氧化膜截面形貌圖略)。在硼酸質(zhì)量濃度為1.5g/L時(shí)，膜層最厚，約為21μm。

2.4 硼酸質(zhì)量濃度對(duì)氧化膜耐蝕性的影響

2.4.1 電化學(xué)測(cè)試結(jié)果

圖3為陶瓷膜在3%NaCl溶液中的恒電位極化曲線。從圖中可以看出，在未加入硼酸的電解液中制備的陶瓷膜的腐蝕電位是－0.6V(vs SCE)，而在含有硼酸電解液中生成氧化膜的腐蝕電位均比－0.4V(vs SCE)正，腐蝕電位正移。這表明生成的陶瓷膜有一定的耐蝕性，增加硼酸質(zhì)量濃度可以提高陶瓷膜的耐蝕性，而從三種不同硼酸質(zhì)量濃度生成的氧化膜的腐蝕電位比較可以看出，在1.5g/L的硼酸溶液中生成的氧化膜的耐腐蝕性最好。

圖3 不同ρ(H3BO3)條件下生成的陶瓷膜在3%NaCl溶液中的極化曲線

2.4.2 鹽霧試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖4為陶瓷膜鹽霧試驗(yàn)前、后的表面形貌。從圖中可以看出未加入硼酸得到的陶瓷膜腐蝕后腐蝕孔較多，如圖4(b)，而加入硼酸后腐蝕孔數(shù)較少，從對(duì)圖(b)、(c)、(d)的比較及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加，腐蝕后陶瓷膜表面的腐蝕孔數(shù)目減少，這說明增加硼酸濃度可以提高陶瓷膜的耐蝕性。

圖4 腐蝕前后氧化膜的SEM照片

3 結(jié)論

1)鋁合金在硅酸鹽體系中生成的微弧氧化膜主要由α-Al2O3相和γ-Al2O3相組成。硼酸質(zhì)量濃度的變化對(duì)膜層中相的組成影響不大。

2)在硅酸鹽體系中加入硼酸能夠有效改善陶瓷膜的表面粗糙度，而且隨著硼酸濃度的增加，膜層的表面粗糙度降低，且當(dāng)ρ(H3BO3)為1g/L時(shí)，微弧氧化膜層的表面粗糙度最低;另一方面，隨著硼酸質(zhì)量濃度的增加，膜層的厚度也隨著增厚。

3)在硅酸鹽體系中加入硼酸，使生成的陶瓷氧化膜更致密、孔隙少，從而提高了膜層的耐蝕性。

［1］劉文亮.鋁合金在不同溶液中的微弧氧化膜層性能研究［J］.電鍍與精飾，1999，21(4):9-11.

［2］薛文斌，鄧志威，來永春等.鋁微弧氧化電流效率的測(cè)定［J］.電鍍與精飾，1998，20(3):1-4.

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［8］Kurze P.Magnesium legierunger electrochmisch beschichte［J］.Metallober，1994，48(2):104.

Effect of Boric Acid on Corrosion Resistance of Micro-arc Oxidation Film on Aluminum Alloy

XU Xiao-dan1，TONG Jin-wei2，ZHUANG Yu3
(1.Education Ministry Key Laboratory of Advanced Structural Materials，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China;2.Storage，Transportation and Sale Co.，Jilin Petroleum Group Ltd.Songyuan 138000，China;3.PESH，Continental Automotive Changchun Co LTd.，Changchun 130033，China)

Ceramic films on 6060 aluminum alloy were prepared with micro-arc oxidation from electrolyte containing boric acid in different concentrations.Morphology and phase composition of the micro-arc oxidation films were analyzed.Corrosion resistance of the films were estimated through electrochemical measurement technique and salt solution spray test method.The experimental results showed that the micro-arc oxidation films on 6060 aluminum alloy were composed mainly of α-Al2O3and γ-Al2O3phases.The film prepared from electrolyte containing 1g/L H3BO3had the lowest surface roughness and that prepared from electrolyte containing 1.5g/L H3BO3had the best corrosion resistance.

aluminum alloy;micro-arc oxidation;ceramic film;corrosion resistance

TG 174.453

A

1001-3849(2010)12-0006-04

2010-07-16

2010-08-10

吉林省科技廳基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(20080505)