8030鋁合金常溫硬質氧化工藝及性能研究

任玉寶,李 丹,劉昌明,陳 利,劉秉翰,王 昆

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

8030鋁合金是在純鋁的基礎上添加鐵、銅和少量的稀土鈰熔合而成,具有較高的導電性、延展性、抗蠕變性等,被廣泛應用于鋁合金導電領域[1-4]。硬質氧化屬陽極氧化中的一種,是一種先進的表面處理方式,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,維持低溫需系統性制冷設備,能源浪費嚴重,氧化生產成本居高不下,因此如何在常溫下完成硬質陽極氧化成為焦點[7-10]。

針對這一問題,本實驗以8030鋁合金為研究對象,設計以一種全新的電解液作為研究基礎,對鋁合金進行常溫硬質氧化技術開發。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,如對其實現常溫硬質氧化將極大拓寬產品應用領域。

1 實驗部分

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(質量分數,%)為,Cu 0.12,Fe 0.41,Si 0.1,Al 99.37。

為便于評估產品性能,分別采用普氧、常規硬質氧化進行對比,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。具體氧化工藝參數見表1。

表1 氧化工藝參數

(1)表面形貌。采用目視法對三種氧化板宏觀形貌進行觀察,采用SEM顯微鏡對三種氧化板表面微觀形貌進行觀察。

(2)耐蝕性。銅加速乙酸鹽霧試驗,執行標準:GB/T 10125-2012,設備型號:Q-fog/CRH600。測試時鹽霧測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。觀察每個實驗周期結束(24 h、48 h、72 h)后試樣腐蝕狀況。

磷鉻酸失重測試,執行標準:GB/T 8753.1-2017。實驗前按標準要求配置硝酸溶液、磷鉻酸溶液,實驗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。前后兩次質量差作為失重指標,指標低于 30 mg/dm2為合格,數值越小所制備膜層耐蝕性越好。

(3)硬度測試。執行標準:GB/T 4340-2009。先對三種式樣進行鑲嵌,使用島津HMV-2T顯微維氏硬度計測定氧化膜硬度。測試載荷為0.01 kg·f ,加載時間12 s,每個樣品選膜層中7點不同區域測試值,去掉最小值和最大值后取平均值。

2 結果與討論

2.1 表面形貌測試

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則孔洞,大小不一,產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,同時電解液對氧化膜進行不斷溶解侵蝕,二者協同作用下產生微孔。硫酸硬質氧化膜與常溫硬質氧化膜表面存在一定溝壑,未見到明顯孔洞,二者形貌相近。推測產生此形貌的原因為硬質氧化電解液對膜的強溶解性所致,強溶解性致使孔道周邊的支撐骨架被溶解掉,最終產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結果見表2?？芍?三種陽極氧化膜均具備較好耐蝕性,中性鹽霧480 h時,鹽霧試驗面未出現任何腐蝕。鹽霧進行至960 h時,硫酸氧化膜出現腐蝕點,兩種硬質氧化膜未出現腐蝕。鹽霧試驗進行至1 200 h時,硫酸氧化膜局部出現大面積腐蝕,硫酸硬質氧化膜未出現腐蝕,常溫硬質氧化膜雖未出現腐蝕,但氧化膜光亮度出現暗淡。綜上所述,硫酸硬質氧化膜耐蝕性效果最好,常溫硬質氧化膜耐蝕性比硫酸硬質氧化膜耐蝕性略差,但強于普通陽極氧化膜。

表2 三種陽極氧化膜中性鹽霧試驗結果

磷鉻酸失重法是檢測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試數據表?？梢钥闯?三種氧化膜以磷鉻酸失重情況來評價膜層耐蝕性能優劣順序是:硫酸硬質氧化膜>常溫硬質氧化膜>硫酸氧化膜。常溫硬質氧化膜與硫酸硬質氧化膜損失數據接近,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

經測試,硫酸氧化膜顯微硬度為382 HV,硫酸硬質氧化膜顯微硬度為522 HV,常溫硬質氧化膜顯微硬度為489 HV。相比較,普通硫酸氧化膜硬度明顯低,常溫硬質氧化膜硬度與硫酸硬質氧化膜硬度相差較少,均具備較強硬度?？梢钥闯?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。這是因為草酸能降低電解液對氧化膜的溶解活動,降低膜層孔隙率,提高氧化膜生長速率,增加膜層顯微硬度。酒石酸具有緩沖和絡合雙重效應,對提高鋁陽極氧化溫度范圍有良好效果。因此,在優化電解液配方下,可應用常溫硬質陽極氧化設備制備硬度較高的膜層。

3 結論

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,成功開發出鋁合金常溫硬質氧化工藝。相較于傳統硫酸硬質氧化工藝,新工藝所需氧化溫度較高,在制備硬質膜層過程中可節省大量能源,降低生產成本。

以此常溫硬質工藝可制備性能較好的氧化膜。其外觀平整,色澤均勻;耐蝕性優越,可耐受中性鹽霧試驗1 200 h無腐蝕,磷鉻酸失重實驗失重指標為3.4 mg/dm2;硬度較高,顯微硬度測試結果為489 HV,與硫酸硬質氧化膜硬度接近,遠高于普通陽極氧化膜硬度。此工藝的最大特點是硬質氧化過程無需低溫環境,可高效節約能源,可作為一種潛在常溫硬質氧化技術應用于未來鋁加工行業。