铝材无铬有色化学转化膜工艺研究与应用

王冰玉

摘 要：当前对铝材进行表面处理，加以保护主要采用铬酸盐钝化技术，尽管钝化膜具有较好的抗蚀性，且工艺简单，但其具有致癌性，严重危害环境与人体健康。基于此，本文提出了一种铝材无铬有色化学转化膜工艺，钝化膜性能与铬酸盐钝化膜性能接近，钝化液不含铬酸盐，对环境污染小。

关键词：铝材；无铬有色转化膜；环保

1 试验

1.1 药品与仪器

药品：化学纯：氟锆酸钾、碳酸钠、氢氧化钠、磷酸钠、硝酸钾、促进剂、硫酸铜、氯化钠；分析纯：硝酸、盐酸；碱蚀添加剂。

仪器设备：数显恒温水浴锅HH-2、分析天平、盐雾实验箱、恒温干燥箱、pH计。

试验材料：铝板6063，尺寸大小为70mm×50mm×0.5mm。

1.2 处理流程

將铝材去边角毛刺→铝件中性除油→热水洗→采用自来水流动冲洗→碱蚀→水洗→出光→采用去离子水进行冲洗→无铬化学转化处理（浸渍法）→水洗→进行去离子水漂洗→恒温干燥。

1.3 耐蚀性检测

耐蚀性检测采用硫酸铜点滴法（硫酸铜41g/L，氯化钠35g/L与盐酸13ml/L）。在室温下使用滴管将配制好的硫酸铜溶液滴一滴在试件表面，对液滴颜色进行观察，采用秒表记录液滴变黑的时间，采用5点平均值表示试样液滴变黑时间，用以大致反映转化膜的耐腐蚀性。

盐雾试验（NSS）检测。参照GB/T10125-1997进行该实验，试验溶液为5%氯化钠水溶液，pH为6.5～7.2，箱温35.0±2.0℃，对其进行72h连续喷雾，取出试件进行漂洗，根据GB-12335-1990进行腐蚀评级。

2 结果与分析

2.1 转化处理工艺配方

当前采用氟锆酸盐为主要成分的铝材无铬有色化学转化膜工艺在相关文献与专利中有所报道，但实际生产应用并不多见，本文则在前人研究的基础上，将硝酸钾、氢氟酸与氟锆酸钾作为主要成分，配方为：硝酸钾10g/L、氢氟酸1.oml/L、氟锆酸钾1.5g/L、促进剂6g/L，pH3.5，温度：50℃～60℃，处理5～7分钟。

2.2 转化膜性能的影响因素分析

2.2.1 氢氟酸浓度影响

氢氟酸在转化处理中主要作用是对pH值进行调节，提供膜转化的酸环境，对转化膜的形成起到促进作用，其浓度对转化膜的影响为：①转化体系不含氢氟酸时，转化膜形成困难；②含氢氟酸0.5g/L、1.0g/L、1.5g/L，形成膜光泽好，金黄色带有蓝色，致密均匀，点滴试验结果为270s、300s与320s；③含氢氟酸2.0g/L，形成膜光泽好，金黄色带有蓝色，致密均匀，点滴试验结果为200s。由此可见，为保证转化膜具有较好的外观品质与耐蚀性，氢氟酸用量应在0.5～1.5ml/L。

2.2.2 氟锆酸钾浓度影响

氟锆酸钾是铝材无铬化学转化膜形成的主盐，参与膜的形成，其浓度对转化膜的影响为：①不含氟锆酸钾时，铝材表面在吹干后无膜形成；②含氟锆酸钾0.5g/L，膜层光泽差，淡黄色，且疏松较均匀，点滴试验结果为25s；③含氟锆酸钾1.0g/L、1.5g/L、2g/L时，膜层光泽好，金黄色带蓝色，致密均匀，点滴试验结果为300s、318s、350s；④含氟锆酸钾2.5g/L、3g/L时，膜层光泽差，金黄色带深蓝偏黑，疏松不均匀，点滴试验结果为160s、100s。即氟锆酸钾含量为1.0～2g/L时为宜。

2.2.3 促进剂浓度影响

促进剂有助于转化膜的形成，并对转化液pH起到缓冲作用。①当促进剂含量为0与2g/L时，膜层光泽差、偏黄且疏松不均匀，膜薄露底，点滴试验结果为10s与20s；②当促进剂含量为4g/L与6g/L时，膜层光泽好、浅黄色带有微蓝色致密均匀，膜薄点滴试验结果为290s与320s；③当促进剂含量为8g/L与10g/L时，膜层光泽差、浅彩色偏黑，较均匀，膜厚，点滴试验结果为130s与36s。即促进剂含量为4～6g/L时为宜。

2.2.4 氧化剂浓度影响

氧化剂的使用可提高转化膜的耐蚀性，①含量为6g/L时，膜层光泽差，微蓝色，薄且不均匀，点滴试验结果为45s；②含量为8g/L和12g/L时，膜层光泽好，浅金色带微蓝色，均匀，点滴试验结果为300s与330s；③含量为14g/L时，膜层光泽差，浅金色带微蓝色，疏松不均匀，点滴试验结果为316s。即氧化剂含量为8～12g/L为宜。

2.2.5 工艺条件的影响

温度对膜层的成膜速度与成膜质量造成直接影响，当温度<30℃时，成膜速度缓慢，但对成膜质量无影响；当温度在30～60℃时，膜层光泽好，致密均匀，浅金色带有蓝色，点滴试验结果为280～320s；当温度>70℃，则膜层色泽、耐蚀性均变差。

pH值对转化膜的耐蚀性、致密性造成直接影响，当pH<3.0时，不易成膜；pH在3.5～4.0时，膜层光泽好，致密均匀，浅金色带有蓝色，点滴试验结果为350s；而当pH>4.5，则成膜质量差。

经试验发现，氧化时间<5分钟或者超过8分钟，均不易成膜，或成膜质量差。而当成膜时间在5～7分钟时，膜层光泽好，致密均匀，浅金色带有蓝色，点滴试验结果为320～330s。

2.3 转化膜的耐蚀性、附着力

经中性盐雾试验（NSS）检测，转化膜表面分散着零星的腐蚀点，采用网格计算计算试件的腐蚀缺陷面积为0.26%，进行腐蚀评级，评价为9级，且与无膜试件相对比，该无膜试件受到严重程度的全面腐蚀，腐蚀面积100%。

经5%氯化钠溶液浸泡（35℃），分别为无膜试件、铬酸盐转化膜试件及本工艺转化膜试件进行腐蚀速率检测，3种试件腐蚀速率分别为0.136、0.0163与0.0199/g·m-1·h-1，可见本工艺转化膜腐蚀速率与铬酸盐转化膜基本一致，因此可替代铬酸盐进行铝材表面处理。

采用附着力检测，本工艺转化膜及漆膜无气泡，划格无脱漆现象，表明附着力良好。

3 结论

本研究以硝酸盐、氢氟酸与氟锆酸盐为主要成分，提出了一种铝材无铬有色化学转化膜工艺，经耐蚀性、附着力检测本工艺转化膜色泽鲜亮、性能与铬酸盐转化膜接近，保护等级为9级，转化膜与涂膜附着力划格评级0级，钝化液不含铬酸盐，环境污染小，因此具有良好的运用价值。

参考文献：

[1]刘晓辉，欧阳贵，占稳.6063铝合金无铬有色化学转化工艺探讨[J].材料保护，2014（3）.