6063鋁合金三價鉻化學轉化膜的制備及性能研究.pdf

1、純鋁表面上有一薄層天然氧化物，它在空氣及水中一般比較穩(wěn)定，但純鋁缺乏某些必要的機械及物理性能，如較高的強度系數(shù)、彈性模量、抗蠕變強度、抗疲勞強度、硬度、耐磨性及較低的熱膨脹系數(shù)。因此，純鋁在作為工程材料應用之前，通常與其它元素形成合金。一旦當鋁與其它元素形成合金，鋁表面上的氧化物的保護性能往往降低。為了提高鋁合金的防腐蝕能力，必須進一步開發(fā)出有效且經濟的表面改性技術。 傳統(tǒng)上使用六價鉻轉化膜來提高鋁及其它金屬如鋅及鋼鐵的防腐蝕性

2、能。然而，六價鉻有毒，在電器及電子工業(yè)中，歐盟禁止使用六價鉻化合物。因此對環(huán)保友好工藝的需求導致開發(fā)不同種類的無六價鉻轉化膜。最近的研究涉及到鈦(Ti)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈷(Co)、錫(Sn)、鋅(Zn)及稀土鹽等新型轉化膜，所有這些元素被認為低毒，在自然界也相對豐富。最近有專利報道過在鋁合金上制備三價鉻轉化膜，然而進一步對其性能及機理研究的報道卻很少。鑒于上述情況，作了以下詳細的研究： 在制備轉化膜之前，使用單因素實驗及

3、正交實驗系統(tǒng)地研究了添加劑(如鋁離子(Al3+)、硼酸(H3BO3)、硫酸鎳(NiSO4)、緩蝕劑A及硫酸鈷(CoSO4))在三酸(硝酸、硫酸及磷酸)中對6063鋁合金光澤度及外觀的影響。鋁離子(Al3+)、硼酸(H3BO3)、硫酸鎳(NiSO4)、緩蝕劑A及硫酸鈷(CoSO4)的適宜濃度范圍分別為：6至10g/L、0.9至1.2g/L、0.8至1.1g/L、0.5至0.8g/L及0.8至1.2g/L。最優(yōu)工藝條件：鋁離子(Al3+)的

4、濃度為6g/L，硼酸(H3BO3)的濃度為1.2g/L，硫酸鎳(NiSO4)的濃度為1.1g/L，緩蝕劑A的濃度為0.5g/L，硫酸鈷(CoSO4)的濃度為1.2g/L。采用掃描電鏡(SEM)對處理過和未處理過的鋁合金表面形貌進行了分析。 研究了一種新的6063鋁合金三價鉻轉化膜工藝，采用單因素實驗及正交法研究了五個變量(如沉積溫度、時間、槽液pH及硫酸鉻鉀與磷酸的濃度)對三價鉻轉化膜的防腐蝕性能的影響，獲得了比較適宜的成膜條件

5、及最佳條件。適宜的條件如下：溫度為30-40℃，沉積時間為9min，pH為2.0-3.0，硫酸鉻鉀與磷酸的濃度分別為15-25g/L及10-20g/L。最優(yōu)工藝條件：溫度為40℃，pH為2，硫酸鉻鉀的濃度為(KCr(SO4)2)20g/L，磷酸的濃度為(H3PO4)20g/L。采用掃描電鏡、能譜及光電子能譜對轉化膜的形貌、成份及價態(tài)進行了表征，結果表明鉻元素已沉積在鋁合金表面上，價態(tài)為三價。 采用極化曲線及交流阻抗技術研究了不同

6、條件下形成的轉化膜的電化學特性。極化曲線研究表明在適宜的條件下形成的轉化膜具有更正的腐蝕電位(Ecorr)、小孔腐蝕電位(Epit)及較低的腐蝕電流(icorr)。因此在適宜的條件下形成的轉化膜具有較大的腐蝕阻力。為了解釋轉化膜的電化學特性，建立了一個簡單的表面模型。實驗發(fā)現(xiàn)預測的模型與實驗結果能較好地相吻合。通過對交流阻抗譜的擬合，獲得表面電阻、電容、荷轉移電阻及雙電層電容等電化學參數(shù)。掃描電鏡(SEM)分析了未處理過和處理過的電極，

7、發(fā)現(xiàn)其結果支持提出的表面模型。 采用掃描電鏡、能譜、極化曲線及交流阻抗技術研究了轉化膜浸泡在氯化鈉溶液中的腐蝕行為。按照不同的腐蝕時期及其特性，提出并解析了不同過程的等效電路模型，對交流阻抗譜進行了擬合。 為了改善三價鉻轉化膜的電化學性能，尿素、硫脲、乙醇胺，二乙醇胺及三乙醇胺分別加入鍍液中。采用極化曲線及交流阻抗技術研究了加入不同濃度的尿素、硫脲、乙醇胺、二乙醇胺及三乙醇胺之后的轉化膜的電化學行為。結果表明加入少量的上

8、述緩蝕劑后，防腐蝕性能明顯得到改善，然而過度的添加，腐蝕阻力減少。實驗還發(fā)現(xiàn)添加硫脲的效果好于添加尿素的轉化膜，添加三乙醇胺的效果好于二乙醇胺，添加二乙醇胺的效果好于乙醇胺。為了解釋轉化膜的交流阻抗譜，使用了等效電路對交流阻抗譜進行擬合，并獲得了相關參數(shù)。無論是極化曲線還是交流阻抗結果都顯示加入緩蝕劑的效果要好于未添加的轉化膜。采用掃描電鏡、能譜及光電子能譜分析了轉化膜的形貌、成份及價態(tài)。采用極化曲線及交流阻抗技術研究添加緩蝕劑尿素及硫

9、脲后的轉化膜在不同浸泡時間下的腐蝕行為。結果表明含緩蝕劑的轉化膜能經受較長時間的浸泡。 為更加深入理解和提高膜層的防腐蝕效果，研制了三種復合轉化膜。研究了在不同硫酸鎳(NiSO4)、硫酸鈷(CoSO4)及硫酸鋯(Zr(SO4)2)濃度下制備的復合轉化膜的電化學性能。為了更好地解釋轉化膜的交流阻抗譜，也對交流阻抗譜進行了擬合，并獲得了相關參數(shù)。實驗發(fā)現(xiàn)Cr-Zr復合轉化膜的防腐蝕性能大于Cr-Co復合轉化膜，Cr-Co復合轉化膜的