任玉寶,李 丹,劉昌明,陳 利,劉秉翰,王 昆

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

8030鋁合金是在純鋁的基礎(chǔ)上添加鐵、銅和少量的稀土鈰熔合而成,具有較高的導(dǎo)電性、延展性、抗蠕變性等,被廣泛應(yīng)用于鋁合金導(dǎo)電領(lǐng)域[1-4]。硬質(zhì)氧化屬陽極氧化中的一種,是一種先進(jìn)的表面處理方式,可極大地提升金屬表面硬度、耐蝕等性能[5,6]。但因工藝要求溫度普遍較低,維持低溫需系統(tǒng)性制冷設(shè)備,能源浪費(fèi)嚴(yán)重,氧化生產(chǎn)成本居高不下,因此如何在常溫下完成硬質(zhì)陽極氧化成為焦點(diǎn)[7-10]。

針對(duì)這一問題,本實(shí)驗(yàn)以8030鋁合金為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)以一種全新的電解液作為研究基礎(chǔ),對(duì)鋁合金進(jìn)行常溫硬質(zhì)氧化技術(shù)開發(fā)。相較于其他鋁合金,8030鋁合金存在氧化后膜層硬度偏低的問題,如對(duì)其實(shí)現(xiàn)常溫硬質(zhì)氧化將極大拓寬產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實(shí)驗(yàn)部分

本研究所選鋁合金為8030鋁合金板材,試樣尺寸100 mm×30 mm×2 mm;合金成份(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)為,Cu 0.12,Fe 0.41,Si 0.1,Al 99.37。

為便于評(píng)估產(chǎn)品性能,分別采用普氧、常規(guī)硬質(zhì)氧化進(jìn)行對(duì)比,氧化工藝流程為,脫脂—水洗—堿蝕—水洗—出光—水洗—純水洗—氧化—水洗—純水洗—常溫封孔。具體氧化工藝參數(shù)見表1。

表1 氧化工藝參數(shù)

(1)表面形貌。采用目視法對(duì)三種氧化板宏觀形貌進(jìn)行觀察,采用SEM顯微鏡對(duì)三種氧化板表面微觀形貌進(jìn)行觀察。

(2)耐蝕性。銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn),執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB/T 10125-2012,設(shè)備型號(hào):Q-fog/CRH600。測(cè)試時(shí)鹽霧測(cè)試面正面與垂直方向呈30°角,箱溫控(50±1)℃,氯化鈉濃度(50±5) g/L,二水合氯化銅0.26 g/L,pH值3.0～3.1,沉降量1～2 g/L。觀察每個(gè)實(shí)驗(yàn)周期結(jié)束(24 h、48 h、72 h)后試樣腐蝕狀況。

磷鉻酸失重測(cè)試,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB/T 8753.1-2017。實(shí)驗(yàn)前按標(biāo)準(zhǔn)要求配置硝酸溶液、磷鉻酸溶液,實(shí)驗(yàn)過程先將稱重后的氧化試樣投入溫度為 (19±1)℃的硝酸中浸泡10 min,反應(yīng)后蒸餾水洗凈烘干;再將試樣投入溫度為 (38±1)℃的磷鉻酸溶液中浸泡15 min,然后取出試樣將蒸餾水烘干后立即稱重。前后兩次質(zhì)量差作為失重指標(biāo),指標(biāo)低于 30 mg/dm2為合格,數(shù)值越小所制備膜層耐蝕性越好。

(3)硬度測(cè)試。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB/T 4340-2009。先對(duì)三種式樣進(jìn)行鑲嵌,使用島津HMV-2T顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定氧化膜硬度。測(cè)試載荷為0.01 kg·f ,加載時(shí)間12 s,每個(gè)樣品選膜層中7點(diǎn)不同區(qū)域測(cè)試值,去掉最小值和最大值后取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌測(cè)試

天然散射光下以目視觀察,三種氧化膜外觀平整,色澤均勻,無氣泡、起皮、斑點(diǎn)等氧化缺陷,外觀見圖1。三種氧化膜表面SEM形貌圖見圖2。

圖1 三種氧化膜外觀

圖2 三種氧化膜的SEM形貌圖

可以看出,硫酸氧化膜表面明顯存在不規(guī)則孔洞,大小不一,產(chǎn)生的原因是陽極氧化過程中電流通過微孔放電,形成電流通道,同時(shí)電解液對(duì)氧化膜進(jìn)行不斷溶解侵蝕,二者協(xié)同作用下產(chǎn)生微孔。硫酸硬質(zhì)氧化膜與常溫硬質(zhì)氧化膜表面存在一定溝壑,未見到明顯孔洞,二者形貌相近。推測(cè)產(chǎn)生此形貌的原因?yàn)橛操|(zhì)氧化電解液對(duì)膜的強(qiáng)溶解性所致,強(qiáng)溶解性致使孔道周邊的支撐骨架被溶解掉,最終產(chǎn)生溝壑形貌的微觀表面。

2.2 耐蝕性

三種氧化膜的中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果見表2?？芍?三種陽極氧化膜均具備較好耐蝕性,中性鹽霧480 h時(shí),鹽霧試驗(yàn)面未出現(xiàn)任何腐蝕。鹽霧進(jìn)行至960 h時(shí),硫酸氧化膜出現(xiàn)腐蝕點(diǎn),兩種硬質(zhì)氧化膜未出現(xiàn)腐蝕。鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行至1 200 h時(shí),硫酸氧化膜局部出現(xiàn)大面積腐蝕,硫酸硬質(zhì)氧化膜未出現(xiàn)腐蝕,常溫硬質(zhì)氧化膜雖未出現(xiàn)腐蝕,但氧化膜光亮度出現(xiàn)暗淡。綜上所述,硫酸硬質(zhì)氧化膜耐蝕性效果最好,常溫硬質(zhì)氧化膜耐蝕性比硫酸硬質(zhì)氧化膜耐蝕性略差,但強(qiáng)于普通陽極氧化膜。

表2 三種陽極氧化膜中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

磷鉻酸失重法是檢測(cè)封孔后氧化膜耐蝕性的常用方法。表3為三種鋁合金氧化膜磷鉻酸失重測(cè)試數(shù)據(jù)表?？梢钥闯?三種氧化膜以磷鉻酸失重情況來評(píng)價(jià)膜層耐蝕性能優(yōu)劣順序是:硫酸硬質(zhì)氧化膜>常溫硬質(zhì)氧化膜>硫酸氧化膜。常溫硬質(zhì)氧化膜與硫酸硬質(zhì)氧化膜損失數(shù)據(jù)接近,膜層耐蝕性均良好。分析原因是兩種氧化膜致密程度高,膜孔稀疏所致。

2.3 硬度

經(jīng)測(cè)試,硫酸氧化膜顯微硬度為382 HV,硫酸硬質(zhì)氧化膜顯微硬度為522 HV,常溫硬質(zhì)氧化膜顯微硬度為489 HV。相比較,普通硫酸氧化膜硬度明顯低,常溫硬質(zhì)氧化膜硬度與硫酸硬質(zhì)氧化膜硬度相差較少,均具備較強(qiáng)硬度。可以看出,電解液中添加草酸、酒石酸可使膜層的顯微硬度有很大提高。這是因?yàn)椴菟崮芙档碗娊庖簩?duì)氧化膜的溶解活動(dòng),降低膜層孔隙率,提高氧化膜生長(zhǎng)速率,增加膜層顯微硬度。酒石酸具有緩沖和絡(luò)合雙重效應(yīng),對(duì)提高鋁陽極氧化溫度范圍有良好效果。因此,在優(yōu)化電解液配方下,可應(yīng)用常溫硬質(zhì)陽極氧化設(shè)備制備硬度較高的膜層。

3 結(jié)論

本文以混合一定濃度的硫酸、酒石酸、草酸作為陽極氧化電解液,通過控制電解液配比、電流密度等工藝參數(shù),成功開發(fā)出鋁合金常溫硬質(zhì)氧化工藝。相較于傳統(tǒng)硫酸硬質(zhì)氧化工藝,新工藝所需氧化溫度較高,在制備硬質(zhì)膜層過程中可節(jié)省大量能源,降低生產(chǎn)成本。

以此常溫硬質(zhì)工藝可制備性能較好的氧化膜。其外觀平整,色澤均勻;耐蝕性優(yōu)越,可耐受中性鹽霧試驗(yàn)1 200 h無腐蝕,磷鉻酸失重實(shí)驗(yàn)失重指標(biāo)為3.4 mg/dm2;硬度較高,顯微硬度測(cè)試結(jié)果為489 HV,與硫酸硬質(zhì)氧化膜硬度接近,遠(yuǎn)高于普通陽極氧化膜硬度。此工藝的最大特點(diǎn)是硬質(zhì)氧化過程無需低溫環(huán)境,可高效節(jié)約能源,可作為一種潛在常溫硬質(zhì)氧化技術(shù)應(yīng)用于未來鋁加工行業(yè)。