YL112铝合金表面化学氧化处理工艺探讨

摘要：本文通过理论分析，结合实验室研究，对YL112铝合金材料表面氧化中的化学氧化处理工艺进行了探讨。为了提高铝合金的抗蚀性和装饰性，根据氧化配方中各种氧化剂和活化剂的作用，选用了传统的铬酸盐-磷酸盐氧化法，通过正交实验确定了相对较好的工艺配方。通过电化学综合测试仪测定极化曲线获得了判定铝合金抗腐蚀性能，并应用盐雾实验和失重实验比较了不同的表面处理配方工艺对铝合金抗腐蚀性能的影响。

关键词：铝合金 化学氧化 抗腐蚀性

1概述

铝合金抗腐蚀性表面处理的技术很多，主要包括有氧化，电镀，涂层等等。但应用较广泛的是铝合金的表面氧化处理。本实验研究YL112合金来说，化学氧化工艺是一种较好的处理方法 ，它不仅能满足铸造铝合金零部件形状复杂、批量生产的需要 ，且具有应用广泛、设备简单、成本低、投资省等优点。[1]

化学氧化按溶液性质可分为碱性氧化法和酸性氧化法。由于酸性化学氧化所获得的氧化膜颜色丰富多样，其膜层外观为无色到浅绿色到金色，厚度可达到3-5μm，与基体金属结合很牢，膜层细密，而且具有一定的耐磨性，用手摸时不易弄脏和擦掉，零件的尺寸无明显变化，所以应用较多。本文主要讨论酸性溶液氧化。针对YL112铝合金的使用方向，本文决定选用铬酸-磷酸盐氧化法进行研究，以便确定其氧化工艺。

2实验过程

2.1试样的制备和实验仪器

药品：试样为10mm×2.5mm×0.5mm的长方体铝合金片，氢氧化钠（分析纯）、碳酸钠（分析纯）、磷酸钠（分析纯）、硫酸（化学纯）、磷酸（化学纯）、硝酸（化学纯） 铬酐（分析纯）、氟化钠（分析纯）、铁氰化钾（分析纯）、硼酸（分析纯）、长寿碱蚀剂（BY-C21）

仪器：HH·SY1-Ni2型电热恒温水浴锅来加热，电子天平、pHS-25型酸度计、CHI660B电化学工作站、YWX/Q-750型盐雾试验箱

2.2化学氧化

工艺流程：有机溶剂脱脂装挂化学脱脂 热水洗流动冷水洗碱腐蚀热水洗 流动冷水洗出光流动冷水洗化学氧化 流动冷水洗 填充 热水洗 干燥 成品检验

（1）表面预处理

表面预处理包括脱脂，碱蚀，中和，水洗。预处理目的就是除去铝表面的油污及氧化膜，使表面均匀平滑呈现活化状态。预处理完后，应立即进行化学氧化，尽量缩短工序间存放时间。否则会影响转化膜质量。

（2）氧化

选用配方时应考虑对环境的污染和氧化膜层的性能，以及外观色泽等问题。实验主要的目的是要增加铝的抗腐蚀性、耐磨性和氧化过程中减小对环境的污染等。[2]

铬酸盐转化层是一类最通用的方法。常温下将预处理过的铝件浸泡于含氟离子的铬酐或铬酸盐溶液中数分钟，氟离子可帮助去除自然条件下形成的氧化膜，也有助于表面层控制溶解。探讨实验选定铬酐，氟盐为主要原料进行，以便确定优良的基础配方。

固定铬酐的浓度为10g/l，氧化时间为5-8min，氧化温度为室温（15-20℃），分别在NaF/CrO3的比例为1，0.8，0.6，0.4，0.2，0.1，0.05，0不同比例下进行氧化实验和氧化膜的性能测试。

确定了氧化浓度，氧化时间，氧化温度后，可分别添加不同量的磷酸，以便观察磷酸在铬酸盐氧化中所起的作用，同时了解pH值在氧化中所起到的作用。

根据上述氧化后的结果评定最佳氧化配方后，可分别添加部分添加剂铁氰化钾和硼酸后对比氧化结果。

3 实验结果及讨论

经过预处理的铝件应是很洁净，表面无氧化膜的裸基体金属。预处理后应立即进行下一步氧化处理。除了在氧化溶液中含有氧化剂和活化剂外，为了使铝合金表面转化膜的性能优良，还必须添加少量的添加剂，改良剂，表面活性剂。

3.1化学氧化实验结果

（1）铬酸盐-磷酸盐正交实验

1） 氧化膜与NaF/CrO3不同比例关系

固定铬酐的含量为10g，温度为室温20℃左右，氧化时间为8-10min，氧化膜的性能测试，结果如下（表3.1）：

从以上结果不难看出：氟化钠与铬酐的比例决定了氧化膜的生成，氟盐作为活化剂， F-的穿透溶解能力很强，NaF在氧化液中的比例越大，氧化膜溶解的速度就会大于氧化膜生成的速度，氧化膜就不能生成；如果在氧化过程中缺少了氟盐，则生成的氧化膜层颜色黯淡，膜层粗糙。也就是说当CrO3/NaF比例过大氧化膜不能生成，过小氧化膜的附着性差。所以氟盐与铬酐的比例在成膜过程中相当重要。当氟化钠与铬酐的比例保持在0.1～0.4之间，成膜情况较佳。

2）氧化膜CrO3含量的关系

选用氟化钠与铬酐的比例为0.25左右进行实验，结果如下（表3.2）。

当铬酐的含量低于2g/l生成的氧化膜很薄，氧化质量较差，当铬酐含量为6～8g/l及20g/l左右时所得的氧化膜的耐蚀性都相对较好，但由于六价铬对人体的危害是很大的，使用高铬含量的配方，将会对氧化后的废液的处理造成一定的负担，为了降低生产成本更为了减轻其对环境造成的污染，综合结果选用铬酐含量在6～8g/l左右进行实验。

3）氧化膜与温度的关系

当NaF/CrO3的比例为0.25，铬酐的含量选为8g/l时，时间控制在8～10min，分别在10℃，20℃，30℃，35℃，40℃，45℃不同的温度下进行实验，结果见（表3.3）。

当温度低于20℃时，氧化膜的耐蚀性较差，当高于35℃时，生成的氧化膜膜层变厚，但相应的氧化膜变得粗糙，膜层疏松，耐蚀性反而变差。根据目视结果，在35℃以下生成的氧化膜颜色由浅变深，氧化膜质地均匀。综合结果可以控制温度在30℃左右。

4）氧化膜与时间的关系

为了减少金属的溶解，使之达到工业上所要求的膜厚，要严格控制好氧化时间，控制好氧化时间，是形成氧化膜的关键。时间越长，虽然膜层越厚，但铝基体腐蚀则更严重；时间越短，氧化膜越薄，甚至不能成膜，达不到防腐目的。所以控制氧化时间对氧化膜的质量有着重要的作用。控制铬酐为8g/l，氟化钠为2g/l，温度为30℃，分别将铝件氧化5，10，15，20，25，30min进行比较。

综合实验结果控制氧化时间为20min左右，形成的氧化膜效果相对较好。因为氧化时间和氧化温度对氧化膜的形成有一定的交叉关系，在不同的氧化温度下，其氧化时间也不相同。一般来说，温度高时氧化的时间可控制短些，温度低，氧化时间可控制长一些，具体工作的时候要根据具体情况来决定。

5）氧化膜与磷酸的关系

固定铬酐浓度为8g/l，氟化钠为0.4g/l，氧化时间为20min，氧化温度为30℃，分别添加磷酸10ml/l，20ml/l，30ml/l，40ml/l，进行氧化。磷酸是成膜的物质，从实验结果看出，磷酸的加入对外观色泽有一定的改变，当磷酸的量在30ml/l左右时，膜层的表面效果较好。从整体来看，加入磷酸后形成的氧化膜的防腐性能并没有增加多少，但外观色泽变化较大，对于某些特殊要求的表面处理，磷酸的加入就是必要的。

为了提高氧化膜的性能，我们还可以添加部分添加剂，添加剂的加入可以提高氧化膜的外观性能，比如说添加部分铁氰酸盐，硼酸等，可控制溶液的氧化速度，使氧化膜更加均匀细密，抗蚀性也明显增加。但加入过量的添加剂和过少的添加剂钝化膜的耐蚀性都有所下降，所以添加剂的含量对氧化膜的形成有一定的影响的。实验结果显示当铁氰化钾的含量为0.5-1g/l时，氧化膜的耐蚀性相对较好。

以下从氧化剂，活化剂，氧化时间，氧化温度添加剂等多个因素综合考虑可以得出以下结论：

a. 氧化剂含量对氧化膜的影响

铬酐、重铬酸盐等氧化剂能使铝合金制件表面生成氧化膜并对氧化膜的厚度和色泽变化有重要影响。氧化剂含量高，必定导致氧化速度快，但生成的氧化膜致密程度较差；氧化剂含量低，必然有氧化膜生成慢而难，且色泽暗淡。

b.活化剂含量对氧化膜的影响

膜的生成，首先要有膜的溶解，活化剂（一般选用的氟盐）就是可以加速膜溶解，加速反应速度的物质，它的含量对氧化膜形成以及外观色泽影响较大。含量高溶解加快，氧化膜成粉末状，影响膜的强度，氧化膜层失掉黄色光泽；含量低成膜反应难以进行，上色较慢。

c.氧化时间对氧化膜的影响

一般说来，氧化时间短，膜层薄而平滑；氧化时间过长，膜层粗糙、疏松。所以氧化时间的控制对氧化膜的质量起着特别重要的作用。

d.温度对氧化膜的影响

温度对氧化膜的影响比较明显，温度高，成膜速度快，氧化膜疏松，厚度薄而脆；温度低，氧化进行缓慢，氧化膜致密。

在实际操作中要控制好温度和时间的关系，当温度高时氧化时间要短些，温度低时氧化时间要长些。

e.pH值对氧化膜的影响

pH值对氧化膜能直接影响膜层质量。不同的配方对pH值要求也是大相径庭。因此，在化学氧化过程中应经常进行调整。

3.2操作要点

从上述实验结果可以很明显的看出，无论从工艺的易操作性和防护层的抗蚀性能来看，还很难找到能与含铬处理层相当的，虽然各种无铬氧化对环境保护具有一定的现实意义，但是它们的操作工艺，生产成本都过于繁复和高昂。所以在现实生产中，我们大都还是采用铬酸盐氧化。因此，在生产和实验过程我们应该注意以下几点：

（1）在生产实践中我们发现新配氧化处理溶液使用一段时间后，氧化效果会更稳定。这表明溶液中有一定的铝离子，氧化效果才能更好的发挥。当处理液氧化效果不佳，经过溶液分析，可以通过添加浓缩液的方法来补加有效成分或重新配制氧化液。

（2）碱洗后硝酸浸亮应注意除净表面灰渣。[4]

（3）在操作中流水洗应充分，特别是有盲孔的零件，一定要将孔内残液洗干净。

（4）氧化时要注意溶液性能、材料成分、温度、时间的合理控制，其中任何一个因素的变化都能引起膜层厚度和颜色深度增加先慢后快。批次生产可先做小样，根据膜层状况确定处理时间，以达到各批次产品颜色一致。

（5）氧化后水洗应迅速，防止湿态膜水解。压缩空气吹干应迅速，否则成膜不完备，抗蚀性降低。

（6）由于铝的铬酸盐转化膜在60℃以上时，会出现膜层硬化有裂纹现象，导致抗蚀性降低。因此在浸热水或烘烤时温度不宜超过50℃。

（7）对于有防水密闭要求的机箱铸件，为了防止处理液渗入微孔或细缝，可先用渗透型低粘度厌氧胶进行封堵，固化充分后，将表面残胶清理干净，再转入表面处理。

（8）铸件零件的机加面和非机加面由于光洁度等表面状况不同，氧化后会出现膜层颜色深浅、亮度不均等现象，这是正常的。

4结论

通过对YL112铝型材的表面预处理实验，可以得到光亮的裸基体金属面，便于后面的氧化处理。

通过铬酸盐和磷酸盐正交实验得出了低铬化学氧化工艺：CrO36g/l，NaF1.2g/l，温度30℃，氧化时间25min，添加剂0.8g/l。该工艺氧化得到的氧化膜色泽金黄，膜层致密，附着力好，经氧化后的铝件的开路电位比未氧化的铝件的开路电位提高了近0.4v，抗腐蚀能力明显提高。因含铬氧化对环境或多或少造成一定的污染，为了减轻六价铬的公害问题，无铬工艺配方研究具有较大的发展潜力。

参考文献

[1]朱玲.铝和铝合金表面处理新动向.轻合金加工技术，1999，27（1）.

[2] 彭靓，钱翰城.压铸铝合金表面化学转化膜技术.表面技术，2002，31（1）.

[3] 罗耀中，巴铎祥.铝的化学氧化工艺探讨.上海自动化仪厂1982，37（2）45。

[4] 吕建华，型材表面碱蚀磨砂工艺及其缺陷分析[J]，铝加工，1999，22（1）：49～59