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摘要：在草酸一硼酸電解液中，采用恒流模式對(duì)鋁合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化。通過正交實(shí)驗(yàn)，選定最佳電解液配方為：草酸0. 075mol/L，硼酸0.025 mol/L，電流密度1.25 A/dm2。在此條件下獲得的陽(yáng)極氧化膜較厚且可明顯提高基體的耐蝕性。其中，草酸和硼酸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，電流密度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響相對(duì)較小。
關(guān)鍵詞：草酸；硼酸；陽(yáng)極氧化；正交實(shí)驗(yàn)
中圖分類號(hào)：TG 174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 又章編號(hào)：1000-4742(2012)06-0033-03
0前言
鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性好等特點(diǎn)，是目前工業(yè)中使用量?jī)H次于鋼鐵的第二大類金屬材料[1]。但鋁合金材料硬度低、耐磨性差，常發(fā)生腐蝕破損[2]。為了提高鋁合金的耐磨性、耐蝕性以及電絕緣性，常對(duì)其進(jìn)行陽(yáng)極氧化。在目前常見的陽(yáng)極氧化方法中，草酸陽(yáng)極氧化膜具有良好的耐蝕性、耐磨性和電絕緣性，但草酸法的成本較高，電能消耗較大，使其應(yīng)用受到限制。研究表明[3-7]：通過使用混合酸電解液、脈沖電流、添加劑等方式可彌補(bǔ)使用純草酸電解液的不足，獲得符合工藝要求的陽(yáng)極氧化膜。
本實(shí)驗(yàn)在草酸一硼酸電解液中，采用恒流模式對(duì)鋁合金進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)選出最佳的電解液配方，并對(duì)所得陽(yáng)極氧化膜的性能進(jìn)行分析。
1 實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)所用材料為2 024鋁合金，其主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Si 0.5%，F(xiàn)e 0.5%，Cu 3.8%～4.9 %,Mn O.3%～0.9%,Mg l.2%～1.8%,Cr0.1%，Zn 0.25%，Ti O．15%，Al余量。試樣規(guī)格為28 mm×28 mm×3 mm。
12 工藝流程
打磨——拋光——蒸餾水洗——堿洗——蒸餾水洗——酸洗——蒸餾水洗——陽(yáng)極氧化——蒸餾水洗——干燥
1.3 陽(yáng)極氧化
陽(yáng)極氧化在室溫下進(jìn)行，采用直流穩(wěn)壓電源，最大輸出電壓為310 V，最大輸出電流為10 A。以不銹鋼為陰極，以2 024鋁合金試片為陽(yáng)極。將前處理后的試樣放人由草酸和硼酸組成的？昆合酸電解液中，采用恒流模式進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，成膜時(shí)間為25 min。處理后的試樣經(jīng)蒸餾水沖洗并干燥。
1.4測(cè)試方法
(1)厚度測(cè)試
采用TT 230型覆層測(cè)厚儀測(cè)量膜層厚度，取6個(gè)點(diǎn)的平均值作為膜層的平均厚度。
(2)點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)
將檢驗(yàn)液滴在陽(yáng)極氧化膜表面，檢驗(yàn)液透過膜層與鋁合金基體發(fā)生反應(yīng)，使點(diǎn)滴表面變成綠色。檢驗(yàn)液配方為：濃鹽酸25 mL，K2Cr2073 g，H20 75 mL。
(3)電化學(xué)測(cè)試
采用CHI760B型電化學(xué)工作站在室溫下測(cè)試極化曲線和電化學(xué)交流阻抗譜。采用三電極體系，工作電極為待測(cè)試樣（暴露面積為1 cm2），參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為1 cm2的鉑片，腐蝕介質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液。極化曲線的測(cè)試條件為：掃描速率0. 01 mV/s，初始電位-1.5 V，結(jié)束電位1.0 V。電化學(xué)交流阻抗譜測(cè)試的條件為：初始電位為系統(tǒng)開路電位，頻率范圍0.01 Hz～0.1 MHz，用ZsimpWin分析軟件系統(tǒng)對(duì)譜圖進(jìn)行模擬分析，通過模擬等效電路來(lái)分析腐蝕行為。
1.5正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
選取草酸、硼酸和電流密度為3個(gè)因素，采用L16(43)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化電解液配方。
2 結(jié)果與討論
2.1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1.1工藝優(yōu)化
采用L16 (43)正交實(shí)驗(yàn)，以陽(yáng)極氧化膜的自腐蝕電流密度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化電解液配方。通過正交實(shí)驗(yàn)，選定最佳電解液配方為：草酸0. 075 mol/L，硼酸0. 025 mol/L，電流密度1.25 A/dm2。
2.1.2影響因素分析
(1)草酸
草酸的濃度直接影響陽(yáng)極氧化膜的生長(zhǎng)速率和絕緣性[3]。草酸的濃度較低時(shí)，電解電壓非常高，而且草酸根離子對(duì)陽(yáng)極氧化膜的親和力變?nèi)酰入x子等雜質(zhì)的影響變大，容易產(chǎn)生電解腐蝕、凹痕等缺陷；草酸的濃度較高時(shí)，陽(yáng)極氧化膜變得疏松，膜層的溶解速率加快，絕緣性及其他性能降低[8]。
(2)硼酸
硼酸的濃度主要對(duì)陽(yáng)極氧化膜的阻擋層和多孔層的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。其濃度增加，可改善膜層的外觀和降低氧化還原反應(yīng)的速率，獲得更加致密、耐蝕性更好的陽(yáng)極氧化膜。
(3)電流密度
在陽(yáng)極氧化過程中，陽(yáng)極氧化膜處在一個(gè)陽(yáng)極生成／電解液溶解的動(dòng)態(tài)平衡中，只有當(dāng)生成速率大于溶解速率時(shí)，才會(huì)形成陽(yáng)極氧化膜。電流密度過小時(shí)，膜層較薄，耐蝕性、耐磨性較差；電流密度過大時(shí)，反應(yīng)速率過快，造成氧化反應(yīng)不均勻，膜層的粗糙度增加，同時(shí)電能消耗較大。
2.2膜層性能分析
圖1為空白試樣與最佳配方所得陽(yáng)極氧化膜的Tafel極化曲線。表1為空白試樣與最佳配方所得陽(yáng)極氧化膜的性能比較。由表1可知：與空白試樣相比，最佳配方所得陽(yáng)極氧化膜的自腐蝕電位正移了0. 399 V，自腐蝕電流密度降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，且點(diǎn)滴時(shí)間明顯變長(zhǎng)。
圖2為空白試樣與最佳配方所得陽(yáng)極氧化膜的EIS曲線。用容抗弧半徑的大小表征陽(yáng)極氧化膜的耐蝕性，容抗弧半徑越大，陽(yáng)極氧化膜的耐蝕性越好[9]。由圖2可知：陽(yáng)極氧化膜的容抗弧半徑大于空白試樣的，表明陽(yáng)極氧化膜的膜層電阻較大，腐蝕介質(zhì)很難與基體接觸，表現(xiàn)出良好的耐蝕性。
通過Tafel極化曲線、EIS曲線、點(diǎn)滴實(shí)驗(yàn)可以看出：最佳配方所得陽(yáng)極氧化膜的耐蝕性明顯優(yōu)于空白試樣的。這表明采用直流穩(wěn)壓電源，運(yùn)用陽(yáng)極氧化法在鋁合金表面形成的絕緣氧化膜可明顯改善基體的耐蝕性。
3 結(jié)論
通過正交實(shí)驗(yàn)，選定最佳電解液配方為：草酸0.075 mol/L，硼酸0.025 mol/L，電流密度1.25 A/dm2。在此條件下獲得的陽(yáng)極氧化膜較厚且可明顯提高基體的耐蝕性。其中，草酸和硼酸對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，電流密度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響相對(duì)較小。
參考文獻(xiàn)：
[1]宋日海，郭忠誠(chéng)，李愛蓮，等，鋁及鋁合金陽(yáng)極氧化、著色及封閉的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]．電鍍與涂飾，2002，21(6)：27-33.
[2]彭靚，錢翰城，壓鑄鋁合金表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜技術(shù)[J]．表面技術(shù)，2002，31(1)：42-44．
[3]孫衍樂，宣天鵬，徐少楠，等．鋁合金的陽(yáng)極氧化及其研發(fā)進(jìn)展[J].電鍍與精飾，2010，32(4)：18-21．
[4] 任雅勛，鋁及其合金常溫草酸絕緣陽(yáng)極氧化工藝[J]．材料保護(hù)，2002，35(9)：31-32．
[5]宰學(xué)榮．草酸陽(yáng)極氧化工藝對(duì)氧化鋁模板孔徑的影響[J]．材料保護(hù)，2004，37(1)：41-42．
[6]吳晶，紀(jì)嘉明．鋁導(dǎo)線混合酸陽(yáng)極氧化絕緣膜工藝[J]．腐蝕與防護(hù)，2009，30(8)：579-581．
[7]楊培霞，安茂忠，鄭鐵帥，硫酸／草酸混酸電解液中陽(yáng)極氧化法制備多孔陽(yáng)極氧化鋁模板[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21(12)：1 907-1 911．
[8]張文清，鋁鍋草酸陽(yáng)極氧化處理實(shí)踐[J]．輕合金加工技術(shù)，2000,28(10)：42-43．
[9]GIOVANARDI R, FONTANESI C, DALLABARBA W. Adsorption of organic compounds at the aluminium oxide/aqueous solution interface during the aluminium anodizingprocess[J]. Electrochimica Acta, 2011, 56(9):3 128-3 138.
