鋁合金材料是工業(yè)中使用量僅次于鋼鐵的金屬材料，在自然環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕，因此有必要對鋁合金進(jìn)行防腐蝕處理。目前最常用的鋁合金表面防護(hù)方法有陽極氧化和化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜中應(yīng)用最廣的是鉻酸鹽轉(zhuǎn)化法。由于六價(jià)鉻有劇毒，因此被很多國家限制使用。廣東堅(jiān)美鋁型材廠(集團(tuán))有限公司做為國際知名鋁型材企業(yè)，也積極投入到無鉻化的研究中，經(jīng)過研究獲得一較成熟配方。文中采用正交實(shí)驗(yàn)和單因數(shù)實(shí)驗(yàn)對配方進(jìn)行了研究，希望能為我國的無鉻化事業(yè)貢獻(xiàn)一份力量^[1-9]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

試樣采用軋制6063鋁合金，為方便電化學(xué)測量, 將試樣的非工作面用環(huán)氧樹脂封裝, 只露出面積為1.0 cm2 的工作面。NaCl, HCl（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%）, K2Cr2O7等均為市售分析純試劑。實(shí)驗(yàn)用水為自制蒸餾水。

6063鋁合金試樣依次經(jīng)300#，600#，800#和1000＃水砂紙逐級打磨，然后再依次進(jìn)行堿蝕除油（100 g/L NaOH+ 40g/LNa3PO4 +15g/L Na2SiO3，60oC，超聲去油處理2分鐘）、拋光（20%HNO3 +10%H3PO4 + 5%HF，浸泡1分鐘）和活化(10g/LNaOH溶液中浸漬30秒)等前處理工藝, 每道工序間用蒸餾水清洗三次。

轉(zhuǎn)化處理溶液以成膜劑，氧化劑和促進(jìn)劑組成的復(fù)合溶液，反應(yīng)溫度為室溫。進(jìn)行L16 (45)的16組正交試驗(yàn)，5因素分別為成膜劑、氧化劑、促進(jìn)劑、反應(yīng)時(shí)間和溶液pH，每個(gè)因素分別設(shè)計(jì)4個(gè)水平：成膜劑濃度為3，5，7和9 g/L；氧化劑濃度為0.5，1.0，1.5和2.0 g/L；反應(yīng)時(shí)間為1min，3min，5min和7min；pH為1.0，1.5，2.0和2.5；促進(jìn)劑濃度為0.02，0.04，0.06和0.08 g/L。以轉(zhuǎn)化膜的膜厚腐蝕電流密度作為判斷轉(zhuǎn)化膜優(yōu)劣的性能指標(biāo)。

轉(zhuǎn)化膜的膜層厚度由非磁性渦流測厚儀測量（Surfix-FNB），測量方法是首先按照要求對儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)零，然后立即將儀器探頭垂直對準(zhǔn)試樣的測試點(diǎn)進(jìn)行測量，儀器顯示的數(shù)字即為該點(diǎn)處轉(zhuǎn)化膜的膜厚。由于渦流測厚儀存在一定誤差，因此試驗(yàn)中測量轉(zhuǎn)化膜膜厚時(shí)，需要在膜的正反兩面各取5個(gè)點(diǎn)，然后求這10個(gè)點(diǎn)的平均值來確定轉(zhuǎn)化膜的膜層厚度。

2 結(jié)果及分析

2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過L16(45)正交實(shí)驗(yàn)，研究室溫時(shí)成膜劑、氧化劑、促進(jìn)劑、反應(yīng)時(shí)間和溶液pH對轉(zhuǎn)化膜性能的影響，采用腐蝕電流密度作為耐腐蝕性能參數(shù)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果示于表2。

表1 L16(45)四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 1 The results of L16(45) orthogonal experiment

表2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

Table 3 The analysis on the statistical tesults of L16(45) orthogonal experiment

對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明5因素對轉(zhuǎn)化膜性能影響程度大小的順序依次為反應(yīng)時(shí)間＞＞溶液pH＞成膜劑＞促進(jìn)劑＞氧化劑。從對正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出，室溫成膜時(shí)反應(yīng)時(shí)間是最重要的因素。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的腐蝕電流密度性能參數(shù)指標(biāo)，獲得了室溫時(shí)較佳成膜工藝：反應(yīng)時(shí)間3min、溶液pH 1.5、成膜劑7.0g /L、促進(jìn)劑0.06g/L、氧化劑0.5g/L，反應(yīng)時(shí)間是唯一的顯著性影響因素，pH是次要影響因數(shù)，成膜劑、氧化劑、促進(jìn)劑在室溫時(shí)時(shí)影響效果不明顯。因此，為了進(jìn)一步研究反應(yīng)時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜的影響，在固定反應(yīng)溫度室溫、溶液pH 1.5、成膜劑7.0g /L、促進(jìn)劑0.06g/L和氧化劑0.5g/L不變的情況下，對反應(yīng)時(shí)間(分別取1min、3min、5min和7min)進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。

2.2 成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜膜厚的影響

表3是成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜膜厚的影響，通過對表3分析可知，在3-5min范圍內(nèi)，隨成膜時(shí)間延長膜厚不斷變厚，時(shí)間越長變化率也越大；在5-9min范圍內(nèi)，膜層厚度隨溫度升高變化趨緩，變化不太明顯。

表3 成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜膜厚的影響

2.3 成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜耐鹽霧實(shí)驗(yàn)的影響

表4是成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜耐鹽霧性能的影響，通過對表4分析可知，隨著成膜時(shí)間的延長，轉(zhuǎn)化膜膜厚不斷增厚，膜層耐腐蝕能力逐漸提高，成膜5min后達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，膜層質(zhì)量合格。

表4 成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜耐鹽霧性能的影響

2.3 成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜影響的分析

當(dāng)鋁合金浸入轉(zhuǎn)化溶液中時(shí) 由于鋁合金表面不同部位的活性不同或合金元素的作用, 構(gòu)成了許多微電池[10-12]。微電池的陽極部分發(fā)生金屬溶解, 即Al - 3e →Al3+ ; 陰極部分發(fā)生氧的還原, 即O2 + 2H2O + 4e →4OH- , 或氫的析出即2H+ + 2e →H2 兩個(gè)反應(yīng)的發(fā)生, 使陰極區(qū)溶液pH 值升高, 當(dāng)pH值達(dá)到一定值時(shí), 在陰極區(qū)成膜劑中的有效成分會(huì)形成氧化物或氫氧化物沉淀膜；同時(shí)OH-也會(huì)擴(kuò)散到陽極區(qū)域，發(fā)生Al3++3OH-→Al (OH)3(S)，阻礙了Al3+和O2 在溶液和金屬界面之間的擴(kuò)散和遷移，陽極反應(yīng)或陰極反應(yīng)被終止，腐蝕就停止發(fā)生[13-17]。隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷延長，鋁合金表面膜層不斷增厚，轉(zhuǎn)化膜耐蝕性能持續(xù)增強(qiáng)。

3 結(jié)論

以腐蝕電流密度作為衡量Ce--Mn轉(zhuǎn)化膜性能的指標(biāo)，采用正交實(shí)驗(yàn)研究常溫下成膜時(shí)時(shí)間(T)、pH、成膜劑、氧化劑和 促進(jìn)劑對轉(zhuǎn)化膜性能的影響，獲得一較佳成膜工藝，結(jié)果表明時(shí)間是最重要的因素。采用渦流測厚儀研究了成膜時(shí)間對膜厚的影響；采用中性鹽霧實(shí)驗(yàn)研究成膜時(shí)間對轉(zhuǎn)化膜耐蝕性能的影響；實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示3-5是較佳成膜時(shí)間范圍。
1)正交實(shí)驗(yàn)中各因素對轉(zhuǎn)化膜厚度影響程度的順序?yàn)椋悍磻?yīng)時(shí)間＞＞溶液pH＞成膜劑＞促進(jìn)劑＞氧化劑。獲得的較佳工藝是：反應(yīng)時(shí)間3min、溶液pH 1.5、成膜劑7.0g /L、促進(jìn)劑0.06g/L、氧化劑0.5g/L。

2)成膜時(shí)間對膜厚有重要影響，從提高生產(chǎn)效率的角度考慮，最佳成膜時(shí)間范圍為3-5min。