铝合金三价铬-锆基化学转化膜制备工艺与研究

作     者：黄小文 

作者单位：南昌航空大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王梅丰

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铝合金 化学转化膜 三价铬 锆 漆膜结合力 耐蚀性 

摘      要：铝合金化学氧化可以提高耐蚀性及漆膜结合力,在涂漆前处理和复杂铝合金零件表面处理中占有重要地位,其中以六价铬酸盐化学氧化处理技术最为成熟。但是高污染且不易沉降的六价铬离子不仅给操作人员健康造成危害,而且还严重污染环境,因此世界各国都在研发无六价铬的环境友好型铝合金化学氧化工艺。(1)开发了以KZr F、Cr(OH)SO为主盐,NH-2为添加剂的2024-T3铝合金三价铬-锆基化学转化工艺。通过硫酸铜快速点滴实验研究KZr F、Cr(OH)SO和添加剂NH-2浓度,工作液温度、p H值以及化学氧化时间对转化膜耐蚀性的影响规律。采用划格法测试漆膜结合力。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)观察转化膜的表面形貌。采用能谱仪(EDS)观察转化膜层上元素分布。采用X射线光电子能谱仪(XPS)测试转化膜中Cr元素的价态。硫酸铜点滴结果表明:以10g/L的KZr F、1.2g/L的Cr(OH)SO以及0.72g/L的添加剂NH-2配制的化学转化液在40℃,p H为3.8时氧化5分钟制备的转化膜耐蚀性较为优良。转化膜漆膜结合力测试结果为0级。SEM结果表明2024-T3铝合金表面生成了由无数个连续的直径数十纳米的颗粒组成的转化膜层,对基体进行保护。EDS结果表明氧化膜层主要由O、Al、Cu、Mg、Zr、Cr、F等元素组成。XPS结果表明转化膜层中的Cr元素为三价铬,不含六价铬,是一种环保的铝合金化学氧化工艺。并对铝合金三价铬-锆基化学转化机理进行了初步探讨。(2)通过Tafel曲线探究不同工艺条件下2024-T3铝合金三价铬-锆基化学转化膜在3.5%Na Cl溶液中的极化曲线规律,通过交流阻抗谱(EIS)测试化学氧化前后铝合金表面电阻变化。使用中性盐雾试验(NSS)测试2024-T3铝合金三价铬-锆基转化膜的耐中性盐雾腐蚀性能,并对转化膜的腐蚀特点进行了初步探讨。通过中性和酸性盐雾试验(ASS)将2024-T3铝合金三价铬-锆基化学转化膜与多种化学转化膜进行耐蚀性对比。并采用中性盐雾测试2024包铝的耐蚀性。Tafel测试结果表明以10g/L的KZr F、1.2g/L的Cr(OH)SO以及0.72g/L的添加剂NH-2配制的化学转化液在40℃,p H为3.8时氧化5分钟制备的转化膜较其他条件制备的转化膜有更低的腐蚀电流密度(i),与硫酸铜点滴实验结果相吻合。交流阻抗谱(EIS)测试结果表明经过化学转化处理的铝合金表面相比于未处理的铝合金表面有着更大的表面电阻(R)。中性盐雾试验结果表明2024-T3铝合金三价铬-锆基转化膜在中性盐雾中168h不发生点蚀。中性盐雾腐蚀形貌观察表明,2024-T3铝合金表面腐蚀是由点蚀引起的局部腐蚀,在点蚀发生后,腐蚀产物随腐蚀液从点蚀孔中流出,腐蚀产物经过的铝合金表面形成点蚀孔带拖尾的条状腐蚀痕迹。对照实验结果表明,三价铬-锆基化学转化膜与TCP-1三价铬化学转化膜耐腐蚀性能相接近,显著强于TCP-2三价铬化学转化膜与AP-1无铬化学转化膜,但是弱于六价铬化学转化膜。此外,2024包铝化学转化膜较2024-T3铝合金化学转化膜有更强的耐腐蚀性能,在中性盐雾中408h不发生腐蚀。(3)选用1060、3003、6063、7075铝合金制备三价铬-锆基化学转化膜,通过中性和酸性盐雾试验测试不同型号铝合金化学氧化前后耐蚀性差异。通过Tafel曲线研究不同型号铝合金化学氧化前后在3.5%Na Cl溶液中的腐蚀电流密度(i)和腐蚀电位(E)变化。采用场发射扫描电子显微镜(SEM)以及能谱仪(EDS)观察不同铝合金化学转化膜的表面形貌和膜层上元素分布。盐雾试验结果表明,经过三价铬-锆基化学转化处理的铝合金较未处理的基材耐腐蚀性能都有所提高,但不同型号铝合金转化膜耐蚀性存在差异。Tafel曲线分析表明经过三价铬-锆基化学转化液处理过的铝合金较未处理的基材腐蚀电流密度都有所降低,腐蚀电位正向移动。SEM结果表明经化学转化后,各型号铝合金表面均出现由无数个连续的直径数十纳米的颗粒组成的转化膜层;EDS结果表明不同型号铝合金转化膜层除基体合金元素外,均含有O、Al、Zr、Cr、F元素,说明转化液中的Cr、Zr F与基体充分发生反应,以特定的形式沉积在基体表面,对基体起到保护作用。