铝合金无铬转化膜防护性能的检测及研究

陈 素

(贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550006)

铝合金表面着色技术主要用于解决铝合金零件表面防护性和装饰性或消光处理等问题[1]。其中，基于无机盐化学转化方法获得的表面防护性膜层，能很好地解决在批量生产中零件难于挂极进行电解氧化处理的问题，并且也适用于仪器、仪表、汽车等设备的外观装饰性要求[2]。

在前期的研究中，在常温下已经获得一种黑色无铬无机盐转化膜[3]。本文在上述成膜技术的基础上，结合表面技术分析制备工艺对转化膜的影响，进而探讨膜层成分和生成机理。采用腐蚀试剂进行点滴试验，对膜层耐酸、耐碱和耐中性盐的腐蚀能力进行测试，采用划痕法和摩擦法对膜层的结合力以及耐磨性进行测试，以检测该转化膜层的综合防护性能。

研究结果表明，这种在常温下实现着色的无铬转化膜，色泽纯正均匀，工艺绿色节能，适合批量生产，且膜层有良好的结合力，具有较强的耐磨性和一定的耐蚀性。本项研究具有良好的学术研究价值和生产应用空间。

1 膜层分析

1.1 工艺方案

配置的反应水溶液为:15 g/L高锰酸钾(KMnO4)、4 mL硝酸(HNO3)d=1.40、25 g/L硝酸铜(Cu(NO3)23H2O，在室温条件下间歇缓慢搅动铝合金试件零件，使其表面反应充分，并保持反应时间为12 h，之后漂洗烘干。

1.2 成膜机理

硝酸铜作为反应溶液中的活化剂，将铝合金表面的氧化膜部分溶解，使其产生一定的孔隙，让基体上的铝与着色溶液得以接触并反应，并不断析出单质金属铜，反应式如式(1)所示:

反应溶液中的高价锰离子在高锰酸钾强氧化作用下，被还原成底价锰，表面析出的铜同时被氧化成黑色氧化铜，反应式如式(2)所示:

成膜的过程中铝合金表面的颜色由白转黄并加深变红，后变棕最后呈黑色，即是CuO本色，也证实了上述黑色转化膜的形成原理。

2 膜层防护性能检测实验

2.1 膜层耐蚀性实验

实验采用制备酸性点液，对色膜进行点滴试验，检测其耐蚀性能。在膜层表面点滴试剂，或将试件置于试验溶剂中，在确定的时间内，观察膜层的表面被腐蚀变化的情况，判断膜层是否完整，是否有褪色脱落现象，表面是否有明显的腐蚀面，以此评价膜层耐蚀性的好坏。

1)耐酸腐蚀实验

试验溶液成为30 mL 5%盐酸，2 g重铬酸钾，70 mL蒸馏水，实验温度为常温，测试时间5 min。试验结果:膜层表面未见明显褪色，有少许白色的蚀点出现。图1中(a)、(b)为耐酸实验前后膜层表面放大400倍比对情况，结果表明表面膜层具有一定耐酸性。

图1 耐酸实验前后膜层表面Fig.1 Surface of film before and after acid resistance test

2)耐碱腐蚀实验

试验溶液为4%NaOH溶液，实验温度为常温，测试时间5 min。试验结果:膜层颜色稍变淡，但基本完整，局部有较小腐蚀点。图2中(a)、(b)为耐碱实验前后膜层表面放大400倍比对情况，结果表明表面膜层具有一定耐碱性。

图2 耐碱实验前后膜层表面Fig.2 Surface of film before and after alkali resistance test

3)耐盐腐蚀实验

选择中性5%氯化钠(PH为6～7)的水溶液进行盐雾试验，试验温度为常温，测定盐雾为1.5 mL/90 cm2·h的沉降率，测试时间6 h。试验结果:有一定数量白色蚀点出现，膜层比较完整。图3中(a)、(b)为耐盐实验前后膜层表面放大400倍比对情况，结果表明表面膜层具有一定耐中性盐的能力。

图3 耐盐实验前后膜层表面Fig.3 Surface of film before and after salt tolerance test

在上述对膜层耐酸、耐碱和耐中性盐的腐蚀测试实验中，膜层基本完整，表面有一定的蚀点出现，没有出现严重的褪色脱落现象，表明该转化膜层具有一定的综合耐腐蚀能力，但随着反应时间的延长，蚀点面积增大，腐蚀会随之加剧。

2.2 膜层附着性实验

实验采用定性交叉划痕检验法，用锋利的刀刃，由膜层向基体方向划交叉#痕，以1 mm间隔交叉划痕后，在显微镜下放大100倍观察膜层断面在划痕边沿处是否有翘壳、脱落现象，以此评价附着性好坏。

图4 1mm间隔划痕效果图Fig.4 1 mm interval scratch effect diagram

实验结果表明膜层在交叉划痕处无脱落、翘壳现象，如图4所示，表面结合性能良好。

2.3 膜层耐磨性实验

选择摩擦法进行耐磨性能的测试，具体采用200 g的摩擦橡皮，用橡皮在尺寸为30 mm的膜层上进行擦拭，摩擦恒压施力，摩擦次数与膜层磨损效果应成正比例关系，摩擦一定次数后，观察膜层磨损擦光的程度，以此评价耐磨性能的好坏。在经过恒压摩擦200次后，膜层表面还未有明显磨损显光亮现象。而经历500次后，膜层已出现较明显的发亮现象。实验结果表明，该转化膜有一定的耐磨性，但随着摩擦次数增加出现磨损现象，耐磨性能还需改善加强。

3 实验结果分析

色膜表面由黑色氧化铜成膜，膜层不断在反应中得以生长，厚度增加。膜层表面的被氧化产生的孔隙被堵塞，使膜层的孔隙率减小，可得到均匀、致密、附着良好的黑色转化膜。

转化膜层主要为铜离子，其电极电位为+0.34 v，高于铝合金基体的-1.66 v[4]，在确保色膜的完整和致密性的前提下，可以获得较好的阴极防护效应。实验结果表明，其膜层都有较好的附着结合性和耐磨性，但随反应时间增加出现蚀点现象，要提高膜层耐腐蚀性还应提出固化方案以改善其防护性能。

4 结论

研究结果表明，这种在常温下实现着色的无铬转化膜，绿色节能，工艺简单，可以实现批量生，且膜层有良好的结合性和耐磨性，有一定的耐蚀性。该铝合金转化膜层其防护性能可以满足日常实际使用的需求，但也有进一步改善提高的研究空间。