铝合金稀土盐钝化工艺研究

王春霞，周 雅，曹经倩，邵志松

(南昌航空大学材料科学与工程学院，江西南昌 330063)

铝合金稀土盐钝化工艺研究

王春霞，周 雅，曹经倩，邵志松

(南昌航空大学材料科学与工程学院，江西南昌 330063)

传统的铝合金铬酸盐钝化工艺对人体和环境有毒副作用，研究了一种以Ce(NO3)3·4H2O为主盐，KMnO4为氧化剂，Sr(NO3)2·4H2O为促进剂的环保型稀土盐钝化工艺;并通过正交试验优化了钝化液配方和工艺参数。结果表明:在10 g/L Ce(NO3)3·4H2O、2 g/L KMnO4、0.6 g/L Sr(NO3)2·4H2O，室温条件下可以在铝合金表面形成金黄色的钝化膜，该钝化膜168h中性盐雾试验耐蚀等级为8级。

铝合金;稀土盐钝化;工艺;耐蚀性

引言

铝合金表面的化学转化膜工艺大体可以分为两种:一种是铬酸盐钝化处理法，一种是非铬酸盐钝化处理法。虽然铬酸盐钝化处理具有许多优越之处，但是由于Cr(Ⅵ)毒性高，易致癌，对环境污染大，许多国家已经严格限制铬酸盐的使用与排放，并且随着欧盟ROHS指令的生效使得铬酸盐在金属表面处理中的使用受到极大的限制。因此，研制新型无铬钝化工艺取代传统铬酸盐钝化十分必要。

本文采用正交试验对LF1铝合金稀土盐钝化工艺的配方和操作条件进行优化，研究各参数对钝化膜的生长速度、外观等因素的影响，并采用点滴试验和中性盐雾试验研究膜层的耐蚀性，旨在取代铬酸盐钝化工艺。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本实验采用LF1铝合金作为实验材料，其尺寸为60mm×25mm×1mm，实验材料具体成分如下: 0.40%Si、0.40%Fe、0.10%Cu、0.40%～1.00% Mn、4.00%～4.90%Mg、0.25%Zn、0.15%Ti、0.05%～0.25%Cr，其余为铝。

1.2 工艺流程

试样准备→打磨→碱性除油→热水洗→冷水洗→碱蚀→水洗→出光→水洗→化学钝化处理→水洗

1.3 钝化工艺的设计

1)基础配方筛选

根据相关资料报道［1-5］，采用不同的成膜主盐与氧化剂进行实验，对主盐CeCl3·7H2O、Ce(NO3)3·4H2O、Ce(SO4)2·4H2O和五种氧化剂H2O2、KMnO4、NH4S2O8·3H2O、Na2MoO4·2H2O、KMnO4+ NH4S2O8按一定的比例配成溶液进行钝化试验，通过初步考察成膜外观、色泽、均匀性、面密度及溶液稳定性等来选择主盐与氧化剂，并建立基础配方。

实验发现，性能最好的主盐和氧化剂分别是Ce(NO3)3·4H2O和KMnO4。

2)正交试验的设计

为了进一步优化基于Ce(NO3)3·4H2O、KMnO4的钝化处理液含量组成与成膜温度，采用L9(34)正交表安排四因素、三水平共9组试验进行稀土盐转化膜优化工艺的筛选，以钝化膜的耐蚀性能与面密度两因素作为主要判断指标，通过极差计算，分析这四个因素对膜层性能的影响，优化稀土转化膜的处理工艺。L9(34)正交试验因素水平设计如表1所示。

3)成膜时间的优化

在以上正交实验所确定的优化配方基础上，采用单因素实验法，研究不同成膜时间对钝化膜的形貌、厚度、耐腐蚀性能的影响，从而优化工艺时间。

1.4 转化膜性能测试

1)面密度的测试

单位面积上的膜质量(g/m2)即为面质量。其中，脱膜液配方［4］如下:35mL/L H3PO4、20g/L CrO3，θ=95～100℃，t=5～6 min。

2)耐蚀性的测试

点滴试验法:按HB5060-77标准进行;中性盐雾试验法:按HB5830进行。

表1 L9(34)正交试验表设计

2 结果与讨论

2.1 正交试验结果与分析

按照表1进行正交试验，L9(34)正交试验结果见表2。其中Fij、Kij分别表示第i因素j水平状态下所对应的面质量、耐腐蚀点滴时间的指标值总和。

由表2可知，影响面质量的因素顺序为D＞B＞A＞C，温度对膜厚的影响最大，其次是KMnO4，而Ce(NO3)3·4H2O对膜厚的影响相对较小，Sr(NO3)2·4H2O2作为成膜促进剂则对膜厚几乎无影响。

影响耐点滴(试验)时间的因素顺序为A＞B＞C＞D，其中，Ce(NO3)3·4H2O作为成膜主盐在槽液中占主体地位，对膜层的耐蚀性能影响最大; KMnO4作为氧化剂对膜层耐蚀性影响也比较大;而Sr(NO3)2·4H2O作为成膜促进剂在加快成膜速度的同时也可提高膜层的耐蚀性;温度对膜层耐蚀性的影响则相对较小。综合考虑最佳组合为:10 g/L Ce(NO3)3·4H2O、2g/L KMnO4、0.6g/L Sr(NO3)2·4H2O、θ为室温。

2.2 单因素试验结果与分析

单因素试验:在正交试验所获得的最佳工艺配方(10g/L Ce(NO3)3·4H2O、2g/L KMnO4、0.6g/L Sr(NO3)2·4H2O，室温)条件下，研究不同成膜时间对转化膜性能的影响，其影响见下表3。综合考虑膜层性能和外观质量，成膜时间取15 min为佳。

表2 L (34)正交试验结果

表3 氧化时间对转化膜的影响

2.3 中性盐雾试验结果

将经钝化处理的稀土盐转化膜(5片)，按HB5830进行中性盐雾试验，观察腐蚀试验时间后膜层的表面状态。

结果表明，盐雾试验96h后，钝化膜表面黄色基本消失，，但表面无白色腐蚀点，120h、140h继续观察，钝化膜表面仍然未出现明显的白色腐蚀点，钝化膜经168h盐雾试验后，膜层开始出现白色的腐蚀产物，按HB5830中性盐雾试验的标准判断，该钝化膜的耐蚀等级为8级，而未经处理的铝合金试片48h就出现了大量白锈，

3 结论

优化的LF1铝合金稀土盐钝化工艺为10g/L Ce(NO3)3·4H2O、2g/L KMnO4、0.6g/L Sr(NO3)2· 4H2O，θ=室温、t=15min。根据正交试验和单因素实验结果表明:Ce(NO3)3· 4H2O作为成膜主盐对膜层的耐蚀性能影响最大，温度对膜厚的影响最大，Sr(NO3)2·4H2O作为成膜促进剂则对膜厚几乎无影响，Sr(NO3)2·4H2O作为成膜促进剂，在加快成膜速度的同时也可提高膜层的耐蚀性。

优化的稀土盐钝化工艺可在LF1铝合金表面上生成完整、连续的黄色钝化膜，168h中性盐雾试验结果表明，该钝化膜的耐蚀等级为8级。

［1］刘伯生.铝及铝合金上铈转化膜的研究［J］.材料保护，1992，25(5):16-19.

［2］陈根香，曹经倩，吴纯素.铝合金上铈氧化膜形成的电化学研究［J］.材料保护，l995，28(3):l-3.

［3］邹洪庆.铸铝合金锆系非铬化学成膜处理工艺应用［J］.材料保护，2001，34(2):29-30.

［4］陈朔，陈晓帆，刘传烨，等.铝合金表面稀土转化工艺研究［J］.材料保护，2003，8(8):3，33-36.

［5］李鑫庆，陈迪勤.化学转化膜技术与应用［M］.武汉:机械工业出版社.2005:78-81.

Investigation on Rare Earth Salt Passivation Technology for Aluminum Alloy

WANG Chun-xia，ZHOU Ya，CAO Jing-qian，SHAO Zhi-song
(School of Material Science＆Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China)

In order to seek a substitute for the traditional passivation process using hazardous chromate，an environment friendly passivation technology with Ce(NO3)2·4H2O as main salt，KMnO4as oxidation agent and Sr(NO3)2·4H2O as acceleration agent for aluminum alloy was developed.The passivation solution formulation and technological parameters were optimized using orthogonal test method.The experimental results showed that a golden passivation film on LF1 aluminum alloy surface could be obtained at passivation solution composition of 10g/L Ce(NO3)2·4H2O，2g/L KMnO4and 0.6g/L Sr(NO3)·4H2O and at operating condition of room temperature.The corrosion resistance of the passivation film in 168h neutral salt spray test was ranked grade 8.

aluminum alloy;rare earth salt passivation;technology;corrosion resistance

TQ174.45

:A

1001-3849(2010)10-0031-03

2010-03-08

:2010-05-24