鋁及其合金由于其優(yōu)良性能,已廣泛應(yīng)用于建筑、航天、電器、電子產(chǎn)品及日用品等各個(gè)方面,其產(chǎn)量和用途均已成為僅次于鋼鐵的第二大金屬材料。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,對(duì)鋁合金表面性能的要求越來越高,如耐蝕性、耐磨性和裝飾性等等,鋁合金表面處理技術(shù)正是在這種背景下產(chǎn)生并不斷發(fā)展的[1 3]。
鋁合金的表面處理方法主要有電鍍、化學(xué)鍍、化學(xué)氧化、陽極氧化及微弧氧化等,其中化學(xué)鍍鎳的應(yīng)用比較普遍。鋁合金化學(xué)鍍鎳可以改善其耐蝕性和耐磨性,使其具有釬焊性。但是,鋁合金在大氣中形成的氧化膜與金屬鍍層結(jié)合不好,要想獲得良好的鍍層必須徹底去除表面氧化膜并使之在化學(xué)鍍鎳前不再形成,這是鋁合金化學(xué)鍍鎳的一個(gè)難點(diǎn),鋁合金也因此被視為“難鍍”基材之一。目前,化學(xué)鍍鎳在難鍍基材方面的工藝尚有待改進(jìn)[4 9]。本文采用特殊方法對(duì)鋁合金進(jìn)行前處理,通過正交試驗(yàn)確定鋁合金化學(xué)鍍鎳工藝條件。測試鍍層的沉積速度、結(jié)合力、耐蝕性及孔隙率。
1 化學(xué)鍍鎳試驗(yàn)
1.1 工藝條件優(yōu)化
試驗(yàn)在恒溫水浴中進(jìn)行,采用立式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,轉(zhuǎn)速為250ｒ ｍｉｎ～500ｒ ｍｉｎ,用ｐＨＳ 25酸度計(jì)精確測定鍍液ｐＨ值。試驗(yàn)材料為直徑3ｍｍ的鋁合金棒材。
將試驗(yàn)溫度控制在80℃～85℃,然后以鎳鹽、還原劑及絡(luò)合劑的含量和鍍液ｐＨ值為主要因素,在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)[10 11],考察指標(biāo)為鍍層沉積速度。然后以優(yōu)選工藝加工試樣,并進(jìn)行性能測試。
1.2 工藝流程
每次試驗(yàn)按如下工藝流程進(jìn)行:化學(xué)除油→冷水洗→堿蝕→冷水洗→特殊處理→冷水洗→蒸餾水洗→化學(xué)鍍鎳→冷水洗→熱水洗→干燥→熱處理。
特殊處理液由無機(jī)酸和氧化劑組成,無機(jī)酸:150ｍＬ Ｌ;氧化劑:75ｍＬ Ｌ;室溫處理20ｍｉｎ。
1.3 性能測試
試驗(yàn)結(jié)束在掃描電鏡下觀察鍍層截面,測量鍍層厚度,用鍍層厚度值除以鍍覆時(shí)間,得出反應(yīng)沉積速度,此為平均鍍速。按ＧＢ-Ｔ13913-92的相關(guān)規(guī)定,采用熱震試驗(yàn)檢查鍍層結(jié)合力,用濃硝酸試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)檢測試樣的耐蝕性[12]。
2 結(jié)果與討論
2.1 單因素試驗(yàn)
2.1.1 硫酸鎳濃度的確定
硫酸鎳濃度是影響鍍層沉積速度的主要因素。隨著硫酸鎳濃度的升高,鍍層沉積速度會(huì)加快,但在乳酸體系的化學(xué)鍍鎳溶液中,這種趨勢(shì)不是很明顯。試驗(yàn)得知,當(dāng)硫酸鎳含量達(dá)到30ｇ Ｌ以后,鍍層表面粗糙,鍍液自分解現(xiàn)象嚴(yán)重,容器壁上有鎳沉積。另外,硫酸鎳濃度的升高,鍍層結(jié)合力和耐蝕性增大,因此,鍍液中的硫酸鎳含量控制在20ｇ Ｌ～30ｇ Ｌ。
2.1.2 次亞磷酸鈉濃度的確定
次亞磷酸鈉濃度主要對(duì)鍍層沉積速度和耐蝕性產(chǎn)生影響。在一定的ｐＨ值范圍內(nèi),次亞磷酸鈉濃度增加,鍍層沉積速度加快,但在試驗(yàn)過程中,如果次亞磷酸鈉的含量過高,鍍液不穩(wěn)定,易使鍍層粗糙或形成暗鍍層。次亞磷酸鈉含量控制在20ｇ Ｌ～30ｇ Ｌ。
2.1.3 乳酸濃度的確定
加入乳酸后,鍍液通常比較穩(wěn)定,因?yàn)殒囯x子與乳酸中的兩個(gè)配位體生成配位鍵,使絡(luò)離子具有環(huán)狀結(jié)構(gòu),即生成了內(nèi)絡(luò)合物[11]。當(dāng)鍍液中存在乳酸時(shí),鍍速隨著乳酸濃度的提高而增加,達(dá)到最大值以后,乳酸濃度繼續(xù)增加,鍍速降低。乳酸的加入,還可以使鍍層的外觀得到改善,使鍍液工作ｐＨ值提高[7]。通過試驗(yàn),乳酸的用量確定15ｍＬ Ｌ～25ｍＬ Ｌ。
2.1.4?。?/span>Ｈ值的確定
ｐＨ值同樣會(huì)影響鍍層沉積速度。ｐＨ值低于3時(shí),化學(xué)鍍鎳反應(yīng)很難發(fā)生;ｐＨ值高于6,鍍液自分解嚴(yán)重,施鍍過程中ｐＨ值下降快,鍍層表面出現(xiàn)大量氣孔。ｐＨ值控制在4.5～5.5時(shí),鍍液穩(wěn)定,鍍層光滑平整。
2.2 正交試驗(yàn)及結(jié)果
表1及表2是正交試驗(yàn)因素水平表及極差分析結(jié)果。由表2可知,各影響因素的主次順序?yàn)?Ａ>Ｂ(Ｃ)>Ｄ,其最佳工藝條件為Ａ3Ｂ3Ｃ1Ｄ2,即:硫酸鎳30ｇ Ｌ,次亞磷酸鈉30ｇ Ｌ,乳酸15ｍＬ Ｌ,ｐＨ5.0。
2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果
2.3.1 特殊處理對(duì)鍍層表面狀態(tài)的影響
圖1是經(jīng)過無機(jī)酸特殊處理后試樣及鍍層表面狀態(tài)的掃描電鏡照片。
由圖1可以看出,特殊處理后試樣表面形成了細(xì)小的均勻分布的蜂窩,這些蜂窩可以作為鍍層的沉積點(diǎn),使鍍層與基體間結(jié)合更緊密。隨著處理時(shí)間的延長,蜂窩分布更加均勻,但處理時(shí)間超過30ｍｉｎ后,基體腐蝕量加大。目測鍍層完整,光亮,無針孔、氣泡、陰陽面等表面缺陷,在掃描電鏡下觀察,鍍層表面為均勻的球形胞狀物,光滑致密,說明特殊處理后留下的空穴不會(huì)影響鍍層的表面質(zhì)量。
2.3.2 鍍層厚度
及沉積速度圖2是經(jīng)過熱處理后的鍍層斷面的掃描電鏡圖像,鍍覆2ｈ后鍍層厚度為25.3μｍ,用鍍層厚度除以鍍覆時(shí)間即得沉積速度,所以鍍層沉積速度為12.6μｍ ｈ。
2.3.3 結(jié)合力試驗(yàn)結(jié)果
同樣由圖2可以看出鍍層與基體間沒有出現(xiàn)縫隙,說明二者結(jié)合力良好。因?yàn)樵趯?duì)鍍層進(jìn)行熱處理時(shí),發(fā)生了原子互擴(kuò)散,導(dǎo)致非晶與微晶發(fā)生重結(jié)晶,生成金屬鎳的晶胞和金屬間化合物,這些金屬間化合物引起鍍層的硬化;隨著熱處理的持續(xù),鍍層與基體間的互擴(kuò)散使二者結(jié)合力得到改善,而且低溫?zé)崽幚磉€可以提高鍍層的耐蝕性,消除部分內(nèi)應(yīng)力[13-14]。
2.3.4 耐蝕性測定
浸泡試驗(yàn)中,鍍層腐蝕失重與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。
在開始階段,試樣腐蝕速度較慢,48ｈ后試樣周圍有白霧出現(xiàn),72ｈ后,在試樣的棱角處可以觀察到有腐蝕液滲透的痕跡,腐蝕速度有加快的趨勢(shì),因?yàn)樵诨瘜W(xué)鍍鎳過程中,存在邊緣效應(yīng)。鍍層生長方向是沿“臺(tái)階”向前推進(jìn),如果基體存在較銳的棱角,鍍層就會(huì)在此處優(yōu)先生長;而鍍層的加厚,則是靠層與層的重疊來完成的[15]。隨著鍍層重疊次數(shù)增多,以及層與層之間的參差排列,在試樣邊緣就形成了層狀組織,而容易被優(yōu)先腐蝕。浸泡96ｈ后,鍍層主要表面沒有出現(xiàn)鼓泡或起皮現(xiàn)象,說明耐化學(xué)腐蝕性良好。用硝酸點(diǎn)滴法測試時(shí),試樣表面變色時(shí)間為47ｓ,達(dá)到了耐腐蝕性的要求。
3 結(jié) 論
(1)本試驗(yàn)所采用的前處理工藝操作簡單,克服了傳統(tǒng)的“二次浸鋅”方法流程復(fù)雜的缺點(diǎn),滿足鍍層表面質(zhì)量及結(jié)合力要求,處理液可以反復(fù)使用,而且不會(huì)污染環(huán)境。
(2)試驗(yàn)優(yōu)選出了沉積速度較快且鍍層性能良好的鋁合金化學(xué)鍍鎳工藝:硫酸鎳,30ｇ Ｌ;次亞磷酸鈉,30ｇ Ｌ;乳酸,15ｍＬ Ｌ;ｐＨ,5.0。
(3)采用優(yōu)選工藝獲得的鍍層表面光亮,均勻完整,結(jié)合力和耐蝕性良好。
參考文獻(xiàn):
[1] 楊綺琴.鋁及其合金的表面處理[Ｊ].廣東有色金屬,1993,(3):74-79.
[2] 路貴民,王兆國,李冰.鋁合金腐蝕與表面處理[Ｍ].沈陽:東北大學(xué)出版社,2000.
