钝化液温度对铝阳极氧化膜性能的影响

刘　丹，吕　媛，余云丹，卫国英

(中国计量学院 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310018)



钝化液温度对铝阳极氧化膜性能的影响

刘丹，吕媛，余云丹，卫国英

(中国计量学院 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310018)

【摘要】对铝及其合金进行钝化处理是提高其耐蚀性的有效手段.研究了工业纯铝普通阳极氧化膜在不同温度钝化液(Alsur408)条件下处理的表面形貌、组织结构、厚度和耐腐蚀性规律.结果表明，阳极氧化的工业纯铝氧化膜表面有均匀的纳米级孔洞，经不同条件钝化后，在氧化膜表面生成钝化膜，厚度约为1 μm；随着钝化温度增加，钝化膜逐渐增厚，表面形貌致密平整；当钝化液温度高于50 ℃时，表面裂纹明显，耐腐蚀性表现为先增强后减弱；当钝化液温度为40 ℃时，钝化膜表面平整致密，无微裂纹，自腐蚀电位为0.1 V，耐腐蚀性最高.

【关键字】铝阳极氧化膜；钝化处理；耐腐蚀性

铝合金材料具有良好的抗蚀性、可焊性、成形性，以及较高的比强度和塑性，因而被广泛应用于航空航天、汽车、船舶等领域.但是，铝合金材料暴露在大气中，表面会覆盖一层很薄的氧化膜从而减小铝材的使用寿命.为满足现代生活和工业的需求，对铝合金进行表面处理成为扩大其应用范围的关键.铝合金阳极氧化已经成为提高铝合金耐蚀性等性能的方法之一，但阳极氧化膜存在纳米级的孔洞，通常利用封闭技术来封闭这些纳米级孔洞以提高铝合金氧化膜的耐蚀性，铝合金封闭通常在高温下进行[1-4].降低环保、降低能耗一直是材料加工及生产过程的要求，铝合金钝化液主要用于对铝材的低温直接钝化，对铝合金阳极氧化膜是否可以钝化及钝化后性能如何是值得研究的课题.本文以工业纯铝为基体，经阳极氧化处理后，用钝化液(Alsur408)进行钝化，钝化液温度控制在25～60 ℃之间，以此研究钝化液温度变化对钝化膜性质的影响[5].

1实验

1.1钝化膜的制备

将预处理(除油—碱洗—酸洗)后的工业纯铝作为阳极，将其剪裁成20 mm×60 mm×0.5 mm的基片，工业纯铝作为阴极，电解质为180～190 g/L的硫酸和有机酸S，电解液温度为20～25 ℃，氧化电压控制在15 V，得到工业纯铝的普通阳极氧化样品[6].

将上述得到的样品分为六组放在钝化液(Alsur408)中进行钝化处理，利用稀盐酸和氢氧化钠溶液调节钝化液的pH值，使钝化液pH在3.9～4.0之间，保持钝化液的含量为200 mL/L，钝化时间为2 min，控制钝化液的温度分别为25 ℃，35 ℃，40 ℃，45 ℃，50 ℃和60 ℃，得到对应条件的样品.

1.2测试分析

采用配有能谱(EDS)的HITACHI S-4700型扫描电子显微镜(SEM)观察钝化膜的表面形貌并分析其成分.采用PARSTAT 2273型电化学系统测试钝化膜的腐蚀性.使用三电极体系，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为辅助电极，研究电极的工作面积为1 cm2.采用质量分数为3.5%的NaCl溶液.实验温度为25 ℃，测量以0.05 V/s的速率进行阳极极化扫描[7].

2结果与讨论

2.1钝化膜的结构及表面形貌

图1为普通阳极氧化之后未钝化的样品，观察到样品表面有均匀细致的纳米级小孔.样品经不同钝化条件钝化后，在阳极氧化膜表面形成一层钝化膜，覆盖了多孔的氧化膜，从而提高了样品的耐腐蚀性.

图1　工业纯铝阳极氧化膜表面形貌Figure 1　Surface morphologies of anodic oxide 　　　film of industrial pure aluminum

图2　不同钝化温度得到的钝化膜表面形貌图Figure 2　Surface morphologies of passivation film under different temperatures

图2为不同钝化温度得到的钝化膜表面形貌图.从图中可知，当钝化温度为25 ℃时，钝化反应速度较慢，成膜效率低，样品表面虽平滑完整，但生成的钝化膜较薄.当钝化时间为40 ℃时样品表面钝化膜表面平整致密，有轻微微裂纹，基体覆盖性好，能够起到很好的保护作用.当钝化液的温度为50 ℃时裂纹明显，并随着钝化温度的升高裂纹程度加重.这是由于钝化反应速度过快，形成的钝化膜较疏松，容易脱落，膜层不均匀，以致出现微裂纹[8].

图3为钝化膜的厚度与钝化液温度的关系曲线.随着钝化液温度的增大，膜层生成量大于溶解量，成膜颗粒的堆积变的较为明显，膜层的厚度增大.由图可知，随着钝化液温度的增加，钝化膜的厚度先增加后减小，当钝化液温度为40 ℃时，钝化膜的厚度达到最大值，为1.9 μm.再增加钝化液的温度，钝化膜的厚度减小，这是由于随着温度的升高，阳极氧化膜与钝化液反应加快，膜层的溶解速度大于成膜速度，导致钝化效果降低，钝化膜的厚度减小.当钝化液温度达到60 ℃，钝化过后，钝化液中残留有片状脱落的钝化膜，说明温度过高钝化膜表面结构开始疏松，容易脱落，致使钝化膜不完整，膜厚降低[9].

图3　钝化膜厚度与钝化液温度的关系Figure 3　Relationship between passivation film thickness and passivation solution temperatures

2.2钝化膜的耐腐蚀

图4为不同钝化液温度得到的钝化膜的极化曲线，由图4可知，随着钝化液温度的增加，钝化膜的自腐蚀性先向正方向移动，当温度为40 ℃时，自腐蚀电位最大，为0.1 V.当钝化液温度为25 ℃时，钝化反应速度较慢，成膜效率低，耐蚀性较差.随温度的增大，样品形成的钝化膜越厚且致

密，样品抗腐蚀性能增强.当温度为40 ℃时腐蚀电位最大，即样品抗腐蚀性最好.当钝化液温度增加到50 ℃和60 ℃时，由于温度过高，膜层的溶解速度大于成膜速度，样品的钝化膜被破坏，致使其抗腐蚀性下降[10].

注：　(a)25 ℃ (b) 30 ℃ (c) 35 ℃ (d) 40 ℃ (e) 50 ℃ (f) 60 ℃图4　不同钝化液温度得到的钝化膜的极化曲线Figure 4　Polarization curves of passivasion film prepared with different temperatures

图5　不同钝化温度下CASS盐雾实验结果Figure 5　Salt spray test of passivasion

图5为进行CASS盐雾实验数据得到的曲线，由图5可知，随着钝化液温度的增加，样品的腐蚀时间先增加后减小.当温度为25 ℃，由于钝化膜较薄，耐腐蚀性较差，盐雾实验在10.5 h时最先出现腐蚀点.当钝化温度为45 ℃时，盐雾实验时腐蚀时间最长，在11.3 h出现腐蚀点.当钝化液温度超过40 ℃，样品的耐腐蚀性急剧下降，其趋势与极化曲线的耐腐蚀性一致[11].

3结论

1)本文研究了工业纯铝经阳极氧化处理后，用钝化液(Alsur408)进行钝化.钝化液温度控制在25～60 ℃之间，使钝化液的pH在3.9～4.0之间，保持钝化液的含量为200 mL/L，钝化时间为2 min，经不同条件钝化后，在氧化膜表面可形成致密的钝化膜，可覆盖氧化膜表面均匀的纳米级孔洞.

2)改变钝化液的温度，随着钝化液的温度增加，钝化膜逐渐增厚，控制钝化液温度为50 ℃时，膜层的溶解速度大于成膜速度，钝化效果降低，钝化膜的厚度减小.表面形貌随着钝化温度的增加逐渐形成致密平滑的钝化膜，温度高于50 ℃，样品表面裂纹明显.

3)实验结果表明，当钝化液的温度为40 ℃时，自腐蚀电位为0.1 V，耐腐蚀性最优，钝化膜的厚度最大为1.9 μm，钝化膜的表面钝化膜结构完整致密，有极少的微裂纹.

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Effect of passivation temperature on theperformance of aluminum anode oxide films

LIU Dan, LYU Yuan, YU Yundan, WEI Guoying

(College of Materials Science and Engineering, China Jiliang University,Hangzhou 310018, China)

Abstract:Passivation is an effective technique to improve the anti-corrosion of aluminum alloys. The effect of the passivation temperature on surface morphology, structure, thickness and anti-corrosion of aluminum oxidized films was investigated. It was found that there were many uniform nano-holes on the surface of aluminum oxidized films.With passivation treatment, passivation films of about 1 μm thickness were formed on the surface. The thickness of the passivation film increased with the passivation temperature. But when the temperature exceeded 50 ℃, surface cracks were observed. The film formed at the optimal passivation temperature of 40 ℃ was smooth and compact without microcracks and had 0.1 V self corrosion potential and the optimal corrosion resistance.

Key words:aluminum anodic oxide film; passivasion; corrosion resistance

【文章编号】1004-1540(2016)01-0098-04

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.018

【收稿日期】2015-03-10《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金项目】国家自然科学基金资助项目(No.51471156)，浙江省科技创新团队项目(No.2010R50016)，国际科学和技术合作项目(No.2011DFA52400).

【作者简介】刘丹(1991- )，女，辽宁省鞍山人，硕士研究生，主要研究方向为铝合金阳极氧化.E-mail：924299030@qq.com

【中图分类号】O621.3

【文献标志码】A

通信联系人：卫国英，女，教授.E-mail：guoyingwei@sina.com