鋁合金交流電陽(yáng)極氧化膜電鍍黑鎳的研究

【簡(jiǎn)介】

李劍虹1,李娜2

(1.遼寧石油化工大學(xué),遼寧撫順113001;2.東北大學(xué),遼寧沈陽(yáng)110004)

摘要：研究以常用的工業(yè)純鋁L2為實(shí)驗(yàn)材料,采用硫酸交流電陽(yáng)極氧化和電鍍黑鎳工藝來(lái)降低成本,著重分析溫度、電流密度、鎳離子的質(zhì)量濃度等對(duì)黑色膜層性能的影響。通過(guò)SEM表征、EDS及性能測(cè)試表明:在優(yōu)化的電鍍黑鎳工藝條件下可以獲得與工業(yè)純鋁L2基體結(jié)合力良好,且耐蝕性、耐熱性、吸光性均較好的黑鎳鍍層。

關(guān)鍵詞：鋁合金;硫酸;交流電;陽(yáng)極氧化膜;電鍍黑鎳

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ153文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4742(2010)02-0037-04

前言

鋁合金黑色膜層不僅具有美麗的外觀,其光學(xué)、耐磨、耐濕性能也很好,而且具有高集熱效率及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn);因此,被廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、儀表、醫(yī)療器械、軍事裝備及照相機(jī)膜層等領(lǐng)域。黑色涂(鍍)膜技術(shù)在國(guó)內(nèi)起步較晚,對(duì)于黑色膜層的研究和應(yīng)用正逐步展開(kāi),很多學(xué)者在鋁合金黑色膜技術(shù)的工藝研究及應(yīng)用方面做了大量的工作。本文以常用的工業(yè)純鋁L2為實(shí)驗(yàn)材料,采用硫酸交流電陽(yáng)極氧化和電鍍黑鎳工藝來(lái)降低工藝成本;著重分析溫度、電流密度、鎳離子的質(zhì)量濃度等對(duì)黑色膜層性能的影響;探求在鋁合金表面進(jìn)行硫酸交流電陽(yáng)極氧化和電鍍黑鎳的最佳工藝條件。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試樣及主要試劑

實(shí)驗(yàn)試樣為工業(yè)純鋁L2(各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù):Fe≤0.35%,Si≤0.25%,Cu≤0.05%,Mn≤0.03%,Al≥99.60%)。試樣面積為3cm×5cm,厚度為1mm。

主要實(shí)驗(yàn)試劑為硫酸、氧化鋁、氫氧化鈉、碳酸鈉、十二烷基磺酸鈉、硝酸、磷酸、氧化鉻、硼酸、硫酸鎳、硫酸鋅、硫氫酸銨。以上試劑均為分析純。

1.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備為IM6E電化學(xué)工作站,德國(guó)ZAHNER公司;DZF-1B真空干燥箱,上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠;401MVD維氏顯微硬度計(jì),上海光學(xué)儀器廠;SSX-500掃描電子顯微鏡,日本島津公司;紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì),美國(guó)PE公司。

1.3 交流電陽(yáng)極氧化及電鍍黑鎳

先對(duì)鋁試樣堿洗處理,堿洗液的組成及工藝參數(shù)為:氫氧化鈉30g/L,碳酸鈉10g/L,十二烷基磺酸鈉0.002~0.003g/L,50~60℃,1~3min。再用體積濃度為500mL/L的濃硝酸,在室溫條件下對(duì)鋁試樣酸洗3~5min。然后,將試樣放入交流電陽(yáng)極氧化槽液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化。交流電陽(yáng)極氧化液配方及工藝條件:

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍液溫度對(duì)黑鎳鍍層耐蝕性的影響

對(duì)鍍液溫度分別為15℃,25℃,35℃,45℃下制備的鍍層進(jìn)行點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn),觀察基體暴露時(shí)間,以考察黑鎳鍍層的耐蝕性。圖1為溫度對(duì)黑鎳鍍層耐蝕性的影響。

由圖1可知:在溫度研究范圍內(nèi),黑鎳鍍層的耐蝕性隨鍍液溫度的上升呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),在溫度為35℃時(shí),耐蝕性達(dá)到極大值。其原因是:(1)鍍液溫度是鹽類(lèi)溶解度、電導(dǎo)率以及鎳離子向陰極擴(kuò)散速率的重要影響因素。鍍液溫度的升高增大了金屬離子由于熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的擴(kuò)散速率,削弱了濃差極化,加快了金屬離子脫水的過(guò)程,增強(qiáng)了金屬離子和陰極表面的活性,降低了電化學(xué)的極化作用。(2)鎳的析出量及晶粒尺寸隨鍍液溫度的升高而增大,而且陰極的極化作用因隨鍍液溫度的升高而降低,使鍍層結(jié)晶粗糙而松軟,進(jìn)而降低了耐蝕性。因此,鍍液溫度對(duì)黑鎳鍍層的質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。研究結(jié)果表明:鍍液溫度為32~38℃下,可獲得具有較高耐蝕性能的黑鎳鍍層。

2.2 電流密度對(duì)黑鎳鍍層表觀形貌的影響

目視法觀察不同電流密度條件下制備的黑鎳鍍層表觀形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如表1所示。

由表1可知:陰極電流密度過(guò)低,由于Ni2+在陰極上的大量還原,使鍍層中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高而顯灰色。陰極電流密度過(guò)高,鍍層結(jié)晶粗糙有毛刺,且邊緣位置出現(xiàn)燒焦。這是由于放電金屬的水化離子在高電流密度下來(lái)不及脫水,帶著水化膜中的水一起沉積于鍍層中,阻礙了晶體的正常生長(zhǎng),從而影響了鍍層組織,導(dǎo)致鍍層燒焦。因此,電流密度對(duì)黑鎳鍍層的表觀形貌產(chǎn)生較大的影響。研究結(jié)果表明:電流密度為0.66A/dm2下,可以獲得表面均勻、平整的黑鎳鍍層。

2.3 硫酸鎳的質(zhì)量濃度對(duì)黑鎳鍍層成分的影響

圖2為硫酸鎳的質(zhì)量濃度對(duì)黑鎳鍍層成分的影響。由圖2可知:實(shí)驗(yàn)條件下制備的黑鎳鍍層中含有的非金屬相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>30%。鍍層中Zn,Ni,S的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨硫酸鎳的質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。硫酸鎳的質(zhì)量濃度為105g/L時(shí),Zn,Ni,S的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高值,為65.9%。

綜上所述,初步判定電鍍黑鎳的優(yōu)化工藝條件為:NiSO4·6H2O105g/L,ZnSO4·7H2O45g/L,NH4SCN40g/L,H3BO330g/L,溫度32~38℃,電流密度0.66A/dm2。為進(jìn)一步確定該工藝條件的優(yōu)化性,可對(duì)交流電陽(yáng)極氧化膜黑鎳鍍膜試樣進(jìn)行SEM,EDS測(cè)試,并對(duì)黑色氧化膜的結(jié)合力、電化學(xué)阻抗、耐熱性及光譜吸收率性能進(jìn)行測(cè)試,加以認(rèn)證。

2.4 SEM和EDS分析結(jié)果

圖3為優(yōu)化工藝條件下制備的試樣的橫截面SEM照片。其中,左為鋁基體,右為膜層。

由圖3可知:優(yōu)化工藝條件下制備的鍍膜致密、均勻,且與基體之間結(jié)合緊密。

圖4中(a),(b),(c)分別是對(duì)元素Al,元素Ni和Zn,元素S,O,Ni,C的線掃描圖。從圖4可知:隨著與基體的距離由近到遠(yuǎn),Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速下降,Ni,S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速上升的部分為陽(yáng)極氧化膜沉積黑鎳層;之后在Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎保持不變,而Ni,Zn,S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高達(dá)到最大值的這一部分為黑鎳鍍層。

2.5 黑色氧化膜的性能測(cè)試

對(duì)黑色氧化膜進(jìn)行結(jié)合力測(cè)試。劃格實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為2級(jí);折彎4次,膜層斷口無(wú)起皮剝落等現(xiàn)象,但有微小裂紋。

對(duì)黑色氧化膜進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。圖中Z′和Z″分別代表阻抗Z的實(shí)部和虛部。由圖5可知:黑鎳鍍層呈現(xiàn)出近似半圓形的單一容抗弧。這說(shuō)明鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的腐蝕過(guò)程為電化學(xué)控制過(guò)程。較大的圓弧直徑,表明黑鎳鍍層的耐蝕性能較好。

將交流電陽(yáng)極氧化膜電鍍黑鎳的試樣,置于200℃的馬弗爐中恒溫2h,結(jié)果未見(jiàn)有表層起皮、脫落等現(xiàn)象發(fā)生。這說(shuō)明優(yōu)化工藝條件下制備的黑鎳鍍層具有較好的耐熱性。

采用紫外可見(jiàn)近紅外分光光度計(jì),測(cè)定黑鎳鍍層表面的全反射率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖6所示。經(jīng)計(jì)算得到電鍍黑鎳膜的光譜吸收率為93.3%,說(shuō)明優(yōu)化工藝條件下制備的黑鎳鍍層對(duì)光的吸收性較好。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電鍍黑鎳過(guò)程中鍍液溫度、電流密度、硫酸鎳的質(zhì)量濃度對(duì)黑鎳鍍層影響的分析,得到工業(yè)純鋁L2交流電陽(yáng)極氧化膜電鍍黑鎳的優(yōu)化工藝條件:NiSO4·6H2O105g/L,ZnSO4·7H2O45g/L,NH4SCN40g/L,H3BO330g/L,溫度32~38℃,電流密度0.66A/dm2。SEM表征、EDS及性能測(cè)試結(jié)果表明:在該優(yōu)化工藝條件下可以獲得具有良好結(jié)合力,而且耐蝕性、耐熱性、吸光性均較好的黑鎳鍍層。