铝合金表面陶化工艺及陶化膜组织和性能的研究

发布时间：2020-09-02 14:30

　　铝元素在地壳中分布广泛,多以化合物(氧化物、氢氧化物、铝土矿等)的形式存在,极少以单质铝的形式存在,而且储量丰富,其在地壳中的含量仅次于氧、硅,占比约为7.45%,含量在所有金属元素中位列第一。铝及铝合金以其密度低、比强度高、较好的耐蚀性、易合金化、导电性较好、易热处理、高导热性、塑性和延展性好等特点成为大量使用的工业金属用材,被广泛应用于航空航天、交通、建筑和机械等行业。但是在自然环境下,铝合金极易受到腐蚀。为了能有效保护铝合金,铬酸盐钝化处理是目前工业上广泛使用的方法。但是六价铬有毒,并且致癌,废液的排放严重污染环境,因此需要开发出能够替代铬酸盐钝化的表面处理工艺。陶化处理工艺包括锆系、钛系、有机硅烷系等,被认为是最有潜力替代铬酸盐钝化的绿色处理工艺。本文以6061铝合金为主要研究对象,筛选出六氟锆酸为主要成膜剂,络合剂和氧化剂为添加剂。利用正交实验和单因素实验,研究了各个因素对陶化膜耐蚀性能的影响,最终确定了常温下最佳的陶化工艺:六氟锆酸2.0 g/L,络合剂1.0 g/L,氧化剂3.0 g/L,pH值为5,处理时间3 min。采用电化学工作站、扫描电镜(SEM)、硫酸铜点滴腐蚀实验、能谱仪(EDS)等手段和设备对陶化膜的耐蚀性能、表面形貌和组成成分等进行了研究。结果表明:得到的陶化膜为淡黄色,厚度为2.74μm,是未添加添加剂厚度的10.5倍左右;其上面分布有很多直径大于1μm的颗粒,这些较大颗粒含M元素的化合物居多,锆元素的化合物次之。对膜层成分分布进行了表征,结果显示氧元素和M元素分布很不均匀,大颗粒处分布的最为密集;锆元素和碳元素在膜层中分布较为均匀。获得的陶化膜经24 h盐雾实验,被腐蚀面不到5%,自腐蚀电流密度i_(corr)与未处理的试样相比降低了3个数量级,极化电阻Rp是未经处理试样的744倍。本文研究了各因素对陶化膜的耐蚀性能、表面形貌和组成成分等的影响。结果表明:1)膜层的颜色为淡黄色,这主要是因为转化液中有氧化剂存在,而络合剂的加入能促进膜层的生长,使膜层更加致密。2)陶化膜厚度随着六氟锆酸的浓度增加而增加,但是当六氟锆酸浓度大于2 g/L时,陶化膜表面大颗粒的周围开始出现裂纹,并且随着六氟锆酸浓度的增加,裂纹延长、变宽。当六氟锆酸浓度范围为1~2 g/L时,膜层上较大颗粒周围的非常裂纹少,膜层致密。3)当络合剂的浓度大于1.5 g/L或处理时间为4 min时,膜层上出现了由较大颗粒脱落留下的凹坑。这可能是因为随着膜层的生长,较大颗粒与其周围膜层的应力较大,导致其周围产生裂纹。随着膜层的继续生长,裂纹扩大,最终导致颗粒脱落。4)转化液的pH值对成膜的影响很大,当pH值小于4时能明显的看到膜层被腐蚀的痕迹;当pH值大于6时,转化液中开始产生沉淀,所获得的膜层非常不均匀,且锆元素和M元素的含量很低;最佳的成膜pH值范围为4~5。
【学位单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG174.4;TG146.21
【部分图文】：

路线图,成膜,转化处理,前处理技术

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耐蚀性,膜层,锆酸,氧化剂浓度

- 17 -图 3.1 各影响因素对膜层耐蚀性的影响（a 氟锆酸浓度对膜层耐蚀性的影响；b 络合剂浓度对膜层耐蚀性的影响；c 氧化剂浓度对膜层耐蚀性的影响；d pH 值对膜层耐蚀性的影响；e 处理时间 t 对膜层耐蚀性的影响）这可能是因为膜层生长速度迅速，造成疏松、多孔、易脱落所致，所以六氟锆酸的浓度不易过高。在当前实验中，最佳的六氟锆酸浓度为 2 g/L。从图 3.1 d 可以看出，随着 pH值的增加，膜层的耐蚀性先增加后降低。这可能是因为当处理液 pH 值较低时，生成的

耐蚀性,氧化剂,膜层,浓度

各因素对陶化膜耐蚀性的影响，在正交实验的层耐蚀性的影响，并优化得到的最佳工艺方案耐蚀性能的影响膜层耐蚀性的影响最为显著。因此，首先对因单因素研究。固定转化液中的其余因素：六氟锆5 g/L，溶液 pH 值为 5，处理时间 t 为 3 min，处4.0 g/L)对试样进行转化处理。转化处理后，对.2 所示。随着氧化剂浓度的增加，膜层的耐蚀性能逐渐会下降，所以氧化剂的浓度不易过高。当氧化剂佳的耐蚀性能。

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