任玉宝,李 丹,刘昌明,陈 利,刘秉翰,王 昆
(辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003)
8030铝合金是在纯铝的基础上添加铁、铜和少量的稀土铈熔合而成,具有较高的导电性、延展性、抗蠕变性等,被广泛应用于铝合金导电领域[1-4]。硬质氧化属阳极氧化中的一种,是一种先进的表面处理方式,可极大地提升金属表面硬度、耐蚀等性能[5,6]。但因工艺要求温度普遍较低,维持低温需系统性制冷设备,能源浪费严重,氧化生产成本居高不下,因此如何在常温下完成硬质阳极氧化成为焦点[7-10]。
针对这一问题,本实验以8030铝合金为研究对象,设计以一种全新的电解液作为研究基础,对铝合金进行常温硬质氧化技术开发。相较于其他铝合金,8030铝合金存在氧化后膜层硬度偏低的问题,如对其实现常温硬质氧化将极大拓宽产品应用领域。
本研究所选铝合金为8030铝合金板材,试样尺寸100 mm×30 mm×2 mm;合金成份(质量分数,%)为,Cu 0.12,Fe 0.41,Si 0.1,Al 99.37。
为便于评估产品性能,分别采用普氧、常规硬质氧化进行对比,氧化工艺流程为,脱脂—水洗—碱蚀—水洗—出光—水洗—纯水洗—氧化—水洗—纯水洗—常温封孔。具体氧化工艺参数见表1。
表1 氧化工艺参数
(1)表面形貌。采用目视法对三种氧化板宏观形貌进行观察,采用SEM显微镜对三种氧化板表面微观形貌进行观察。
(2)耐蚀性。铜加速乙酸盐雾试验,执行标准:GB/T 10125-2012,设备型号:Q-fog/CRH600。测试时盐雾测试面正面与垂直方向呈30°角,箱温控(50±1)℃,氯化钠浓度(50±5) g/L,二水合氯化铜0.26 g/L,pH值3.0～3.1,沉降量1～2 g/L。观察每个实验周期结束(24 h、48 h、72 h)后试样腐蚀状况。
磷铬酸失重测试,执行标准:GB/T 8753.1-2017。实验前按标准要求配置硝酸溶液、磷铬酸溶液,实验过程先将称重后的氧化试样投入温度为 (19±1)℃的硝酸中浸泡10 min,反应后蒸馏水洗净烘干;再将试样投入温度为 (38±1)℃的磷铬酸溶液中浸泡15 min,然后取出试样将蒸馏水烘干后立即称重。前后两次质量差作为失重指标,指标低于 30 mg/dm2为合格,数值越小所制备膜层耐蚀性越好。
(3)硬度测试。执行标准:GB/T 4340-2009。先对三种式样进行镶嵌,使用岛津HMV-2T显微维氏硬度计测定氧化膜硬度。测试载荷为0.01 kg·f ,加载时间12 s,每个样品选膜层中7点不同区域测试值,去掉最小值和最大值后取平均值。
2.1 表面形貌测试
天然散射光下以目视观察,三种氧化膜外观平整,色泽均匀,无气泡、起皮、斑点等氧化缺陷,外观见图1。三种氧化膜表面SEM形貌图见图2。
图1 三种氧化膜外观
图2 三种氧化膜的SEM形貌图
可以看出,硫酸氧化膜表面明显存在不规则孔洞,大小不一,产生的原因是阳极氧化过程中电流通过微孔放电,形成电流通道,同时电解液对氧化膜进行不断溶解侵蚀,二者协同作用下产生微孔。硫酸硬质氧化膜与常温硬质氧化膜表面存在一定沟壑,未见到明显孔洞,二者形貌相近。推测产生此形貌的原因为硬质氧化电解液对膜的强溶解性所致,强溶解性致使孔道周边的支撑骨架被溶解掉,最终产生沟壑形貌的微观表面。
2.2 耐蚀性
三种氧化膜的中性盐雾试验结果见表2。可知,三种阳极氧化膜均具备较好耐蚀性,中性盐雾480 h时,盐雾试验面未出现任何腐蚀。盐雾进行至960 h时,硫酸氧化膜出现腐蚀点,两种硬质氧化膜未出现腐蚀。盐雾试验进行至1 200 h时,硫酸氧化膜局部出现大面积腐蚀,硫酸硬质氧化膜未出现腐蚀,常温硬质氧化膜虽未出现腐蚀,但氧化膜光亮度出现暗淡。综上所述,硫酸硬质氧化膜耐蚀性效果最好,常温硬质氧化膜耐蚀性比硫酸硬质氧化膜耐蚀性略差,但强于普通阳极氧化膜。
表2 三种阳极氧化膜中性盐雾试验结果
磷铬酸失重法是检测封孔后氧化膜耐蚀性的常用方法。表3为三种铝合金氧化膜磷铬酸失重测试数据表。可以看出,三种氧化膜以磷铬酸失重情况来评价膜层耐蚀性能优劣顺序是:硫酸硬质氧化膜>常温硬质氧化膜>硫酸氧化膜。常温硬质氧化膜与硫酸硬质氧化膜损失数据接近,膜层耐蚀性均良好。分析原因是两种氧化膜致密程度高,膜孔稀疏所致。
2.3 硬度
经测试,硫酸氧化膜显微硬度为382 HV,硫酸硬质氧化膜显微硬度为522 HV,常温硬质氧化膜显微硬度为489 HV。相比较,普通硫酸氧化膜硬度明显低,常温硬质氧化膜硬度与硫酸硬质氧化膜硬度相差较少,均具备较强硬度。可以看出,电解液中添加草酸、酒石酸可使膜层的显微硬度有很大提高。这是因为草酸能降低电解液对氧化膜的溶解活动,降低膜层孔隙率,提高氧化膜生长速率,增加膜层显微硬度。酒石酸具有缓冲和络合双重效应,对提高铝阳极氧化温度范围有良好效果。因此,在优化电解液配方下,可应用常温硬质阳极氧化设备制备硬度较高的膜层。
本文以混合一定浓度的硫酸、酒石酸、草酸作为阳极氧化电解液,通过控制电解液配比、电流密度等工艺参数,成功开发出铝合金常温硬质氧化工艺。相较于传统硫酸硬质氧化工艺,新工艺所需氧化温度较高,在制备硬质膜层过程中可节省大量能源,降低生产成本。
以此常温硬质工艺可制备性能较好的氧化膜。其外观平整,色泽均匀;耐蚀性优越,可耐受中性盐雾试验1 200 h无腐蚀,磷铬酸失重实验失重指标为3.4 mg/dm2;硬度较高,显微硬度测试结果为489 HV,与硫酸硬质氧化膜硬度接近,远高于普通阳极氧化膜硬度。此工艺的最大特点是硬质氧化过程无需低温环境,可高效节约能源,可作为一种潜在常温硬质氧化技术应用于未来铝加工行业。
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