6063鋁合金三價(jià)鉻化學(xué)轉(zhuǎn)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(jī)械及物理性能，如較高的強(qiáng)度系數(shù)、彈性模量、抗蠕變強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)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(yīng)用之前，通常與其它元素形成合金。一旦當(dāng)鋁與其它元素形成合金，鋁表面上的氧化物的保護(hù)性能往往降低。為了提高鋁合金的防腐蝕能力，必須進(jìn)一步開發(fā)出有效且經(jīng)濟(jì)的表面改性技術(shù)。 傳統(tǒng)上使用六價(jià)鉻轉(zhuǎn)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(jià)鉻有毒，在電器及電子工業(yè)中，歐盟禁止使用六價(jià)鉻化合物。因此對環(huán)保友好工藝的需求導(dǎo)致開發(fā)不同種類的無六價(jià)鉻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化膜，所有這些元素被認(rèn)為低毒，在自然界也相對豐富。最近有專利報(bào)道過在鋁合金上制備三價(jià)鉻轉(zhuǎn)化膜，然而進(jìn)一步對其性能及機(jī)理研究的報(bào)道卻很少。鑒于上述情況，作了以下詳細(xì)的研究： 在制備轉(zhuǎn)化膜之前，使用單因素實(shí)驗(yàn)及

3、正交實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了分析。 研究了一種新的6063鋁合金三價(jià)鉻轉(zhuǎn)化膜工藝，采用單因素實(shí)驗(yàn)及正交法研究了五個(gè)變量(如沉積溫度、時(shí)間、槽液pH及硫酸鉻鉀與磷酸的濃度)對三價(jià)鉻轉(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)化膜的形貌、成份及價(jià)態(tài)進(jìn)行了表征，結(jié)果表明鉻元素已沉積在鋁合金表面上，價(jià)態(tài)為三價(jià)。 采用極化曲線及交流阻抗技術(shù)研究了不同

6、條件下形成的轉(zhuǎn)化膜的電化學(xué)特性。極化曲線研究表明在適宜的條件下形成的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化膜具有較大的腐蝕阻力。為了解釋轉(zhuǎn)化膜的電化學(xué)特性，建立了一個(gè)簡單的表面模型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)測的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)移電阻及雙電層電容等電化學(xué)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(jié)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(shù)研究了轉(zhuǎn)化膜浸泡在氯化鈉溶液中的腐蝕行為。按照不同的腐蝕時(shí)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(jìn)行了擬合。 為了改善三價(jià)鉻轉(zhuǎn)化膜的電化學(xué)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(shù)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(zhuǎn)化膜的電化學(xué)行為。結(jié)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(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)添加硫脲的效果好于添加尿素的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化膜的交流阻抗譜，使用了等效電路對交流阻抗譜進(jìn)行擬合，并獲得了相關(guān)參數(shù)。無論是極化曲線還是交流阻抗結(jié)果都顯示加入緩蝕劑的效果要好于未添加的轉(zhuǎn)化膜。采用掃描電鏡、能譜及光電子能譜分析了轉(zhuǎn)化膜的形貌、成份及價(jià)態(tài)。采用極化曲線及交流阻抗技術(shù)研究添加緩蝕劑尿素及硫

9、脲后的轉(zhuǎn)化膜在不同浸泡時(shí)間下的腐蝕行為。結(jié)果表明含緩蝕劑的轉(zhuǎn)化膜能經(jīng)受較長時(shí)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(fù)合轉(zhuǎn)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(fù)合轉(zhuǎn)化膜的電化學(xué)性能。為了更好地解釋轉(zhuǎn)化膜的交流阻抗譜，也對交流阻抗譜進(jìn)行了擬合，并獲得了相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Cr-Zr復(fù)合轉(zhuǎn)化膜的防腐蝕性能大于Cr-Co復(fù)合轉(zhuǎn)化膜，Cr-Co復(fù)合轉(zhuǎn)化膜的