铜合金表面复合稀土盐转化新工艺

吕雪飞，刘　爽**，甘树坤

(1.吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022;2.吉林化工学院 汽车工程学院，吉林 吉林 132102)

铜合金具有良好的力学性能、热塑性、易切削及易焊接性，被用于制造阀门、水管、空调内外机连接管和散热器等.但在湿度较高、腐蚀性介质中，容易发生严重的腐蚀[1]，导致铜合金工件使用寿命大大减短.采用表面钝化成膜技术是铜及合金表面防腐蚀的一种经济有效的方法.近年来稀土盐被广泛应用，而对铜合金工件表面的稀土转化膜的研究工作还仅限于对单一稀土钝化工艺过程等方面的初步研究中.本文将通过正交试验获得双稀土钝化新工艺，通过对铜合金工件表面进行处理，在其表面形成双稀土转化膜，并对耐蚀性进行评价.

1　实验部分

1.1　试件材料及流程

本实验所用试件为H62黄铜(市售)，即Cu-Zn合金，主要化学成分(Wt%)：61.811%Cu，35.662%Zn，其余为杂质.

线切割黄铜板状试样尺寸为25 mm×10 mm×2 mm，顶侧打2 mm孔径便于悬挂.

处理工艺流程为：碳化硅砂纸打磨抛光→蒸馏水流动水洗→超声波清洗→化学除油→流动水洗→化学抛光→流动水洗→酸洗→流动水洗→ 稀土钝化 →流动水洗 →吹干备用[2].

1.2　试验方法

采用化学浸泡法对试样进行处理，所用试剂均为分析纯，复合稀土转化新工艺条件通过正交试验获得.

1.2.1前处理

(1) 研磨抛光：用碳化硅金相砂纸打磨工作面至2000#并用机械抛光以去掉原始金属表面后水洗吹干.

(2) 化学除油：将干燥好的试样浸入到化学除油液中除油，其主要试剂成分及工艺[3]见表1.

表1　化学除油过程工艺参数表

(3) 化学抛光：将要使用的试样放入含有废铜屑的化学抛光液中，在同一抛光总时间内多次抛光使试样达到镜面光亮，其主要试剂成分及工艺[4]见表2.

表2　化学抛光过程工艺参数表

(4) 硫酸预酸洗：将抛光干燥后的试样浸入到10%硫酸溶液中进行活化以出去合金表面氧化膜，其工艺参数[5]如表3.

表3　酸洗过程工艺参数

1.2.2复合稀土盐钝化液配方

以文献的单一稀土盐钝化液配方为依据[5,6]，确定以镧盐与铈盐比例为主要参数的铜合金表面复合稀土钝化液最优工艺，其成膜因素及水平见表4.其他成膜因素含量依照单一稀土正交试验实验结果取值，分别为：柠檬酸14 g/L，磺基水杨酸10 g/L，表面活性剂0.1 g/L，成膜时间为5 min.

表4　双稀土成膜因素及水平

1.3　膜层性能测试

根据L9(34)正交试验表进行了9组实验，对膜层性能评定标准如下：

根据正交试验所得的择优试验表，对预处理好的试样进行钝化处理，并对各组试验获得的膜层分析并给予评分，标准如下[6]：

(1) 外观颜色：镀膜黄铜表面应是以金黄色为主的彩虹色，膜层应连续完整，无脱脂棉可擦去的褐色及暗黄色疏松膜层.

(2) 表面光亮度：镀膜黄铜表面应表面光滑高亮度，无大理石状发雾现象.

2　结果与讨论

2.1　正交试验结果

由表5均值分析，A因素1水平最大，B因素1水平最大，C因素2水平最大，D因素2水平最大，因此由正交试验获得的复合稀土盐最佳配方为：A1B1C2D2，即各因素在复合稀土钝化液中的参数如表6所示.

表5　复合稀土正交试验表及其数据分析

表6　正交试验确定的复合稀土盐最佳工艺参数

2.2　对比试样性能测试

利用硝酸点滴试验对添加双稀土盐、单一稀土盐(硝酸镧、硝酸铈)的最优钝化液及未添加任何稀土盐钝化液所得膜层耐蚀性进行检验，对比图如1所示.

钝化液类型图1　不同钝化液处理后试样耐蚀性

从图1可以看出，未添加任何稀土盐的膜层耐硝酸点滴时间仅为10.71S，耐蚀性最差；而添加硝酸镧盐膜层耐腐蚀时间为19.1S，硝酸铈盐次之，仅为18.47S.添加双稀土盐(La/Ce)盐的膜层耐硝酸点滴时间最长达21.98S，表明该膜层耐蚀性最好.

2.3　对比试样膜层性能表征

采用JSM-6490LV型扫面电镜对不同钝化液配方获取的转化膜的形貌进行表征[9-12]，图2为不同工艺条件下各转化膜在扫面电镜放大200倍情况下的形貌对比图.根据图片可以看出，单一稀土镧盐试样表面色泽较淡，有不允许存在的麻点缺陷及裂纹、基体裸露；而双稀土钝化液膜层表面色泽均匀呈现金黄色，膜层光滑致密，无缺陷存在.

(a) 单一稀土镧盐试样表面

(b) 双稀土钝化液膜层表面图2　不同钝化液膜层SEM对比图

3　结　　论

(1) 利用单一稀土盐钝化液试验确定钝化液基本成分，并由正交试验获得的铜合金表面最佳复合稀土钝化液配方为：La(NO)3·6H2O-4 g/L、Ce(NO)3·6H2O-4 g/L、BTA-14 g/L、Na2MOO4·2H2O-3 g/L、C6H8O7·H2O-14 g/L、C7H7O6S·2H2O-10 g/L、C18H29NaO3S-0.1 g/L、钝化温度50 ℃、钝化时间5 min.

(2) 利用硝酸点滴试验测试不同钝化工艺条件下对比膜层的耐蚀性，结果表明：镧铈复合稀土转化膜可明显提高铜合金表面耐蚀性能，且耐蚀性最强.

(3) 采用扫面电镜对各膜层形貌进行表征，结果表明：与单一稀土盐膜层相比，复合稀土转化膜更为均匀致密，其与基体较强的结合力有效的为铜合金表面提供了腐蚀防护.

参考文献：

[1]罗正贵,闻荻江.铜的腐蚀及防护研究进展[J].武汉化工学院学报,2005,27(2)：17-20.

[2]吕雪飞,李淑英.镧、苯并三氮唑在黄铜钝化中的作用[J].材料保护,2014(10)：45-47.

[3]刘贵昌.燃气冷凝器表面耐蚀材料的制备及腐蚀行为研究[D].大连：大连理工大学,2013.

[4]方景礼.金属的化学抛光技术 第三部分 铜及铜合金制件的化学抛光[J].电镀与涂饰,2005(10)：41-46.

[5]甘树坤,吕雪飞.铜合金表面硝酸镧稀土钝化膜的性能研究[J].材料保护,2008(8)：35-37.

[6]吕雪飞.H62铜合金稀土钝化膜制备及性能研究[D].大连理工大学,2006.

[7]陈伟,邹松华,李吉丹.紫铜表面环保型钝化工艺研究[J].大连：航天制造技术,2014(1)：30-33.

[8]樊良伟.铜合金表面复合型膜层制备及性能研究[D].上海：上海交通大学,2012.

[9]樊良伟.镧盐型缓蚀剂对Cu-Zn-Ni铜合金在3.5%NaCl溶液中的缓蚀作用[J].腐蚀与防护,2013(1)：36-41.

[10] 郑伟.紫铜表面新型无铬转化膜的成膜工艺及耐蚀性能研究[D].合肥：合肥工业大学,2012.

[11] 吕雪飞,张世全,甘树坤.H62铜合金表面稀土钝化性能研究[J].吉林化工学院学报，2011(11)：58-60.

[12] 甘树坤,刘爽,吕雪飞.金属表面耐蚀性稀土转化膜的研究进展[J].吉林化工学院学报，2017(9)：79-83.