鋁合金陽極化膜雙重封閉工藝試驗與分析

鄭勇宏

摘要：傳統鋁合金硫酸陽極氧化膜采用重鉻酸鉀溶液一次性封閉處理。本文在含有水解鎳鹽溶液和鉻酸鹽中進行陽極化膜二次封閉處理工藝試驗，得到滿意的陽極化膜封閉質量.并對影響膜層封閉質量的各成分含量及工藝參數進行了分析和試驗。

關鍵詞：陽極氧化膜;水解鎳鹽;雙重封閉

0引言

硫酸陽極氧化是飛機用鋁合金主要的防腐蝕和裝飾工藝，所形成的陽極化膜層厚、硬度大、耐磨性好，其抗蝕性優于化學轉化膜，具有很高的防護能力。但鋁合金經陽極氧化后，得到的氧化膜的孔隙率相當大，約為35%;表面狀態為峰窩狀的多孔結構，因而吸附能力高，極易吸附大氣中的腐蝕介質，影響其外觀質量及防護性能。為了得到防護能力較高的氧化膜，利用陽極氧化膜可被許多物質填充的原理，可對陽極化后的零件進行膜層封閉處理（填充處理）。

普遍采用在較高的溫度下在具有強氧化性的重鉻酸鉀溶液中進行一次性封閉處理的工藝。這種工藝方法實質是填充和水封閉的雙重作用，一是在較高的溫度下，陽極化膜和孔壁的氧化鋁與具有強氧化性的重鉻酸鉀溶液發生化學反應，膜層孔隙生成堿式鉻酸鋁[A1（OH）crO4]或堿式重鉻酸鋁[Al（OH）cr2O2]，當pH值較高時，生成堿式鉻酸鋁，當pH值較低時，主要生成堿式重鉻酸鋁。二是陽極化膜孔隙吸附了水，并隨之發生氧化物的水合作用，使膜層體積增大33%～100%，從而使孔隙封閉。

重鉻酸鹽封閉工藝自應用以來，一直提供著很好的防腐蝕作用，但這種封閉處理方法環境污染大、能源消耗大。針對這種情況，對鋁合金陽極氧化后的封閉處理進行了分析和試驗，用硫酸鎳水解鹽溶液和鉻酸鉀溶液進行雙重封閉處理，陽極化膜的防護性能遠比一次封閉處理提高很多，同時節約了能源、降低了廢水處理成本。

1雙重封閉處理工藝

金屬鹽的雙重封閉是陽極氧化膜依次在兩種金屬溶液中進行封閉處理，其原理與重鉻酸鉀封閉溶液相同，都是生成金屬化合物填充在氧化膜孔內。

試樣陽極氧化后，經80℃硫酸鎳溶液第一次封閉處理，水洗，再在80℃鉻酸鉀溶液中進行第二次封閉處理，所得到的陽極氧化膜的耐蝕性顯著提高。第一次經硫酸鎳封閉處理后，氧化膜呈無色透明的亮白色;用鉻酸鉀溶液第二次封閉處理后，氧化膜為淡綠微黃色。

1.1第一次水解鎳鹽封閉處理

常用的金屬水解鹽有Ni、Ti、cd、zn的硫酸鹽、醋酸鹽、硝酸鹽等。在封閉過程中除了水合反應產生AIO2O3外，金屬鹽溶液被陽極化膜吸附后，都發生水解反應，生成氫氧化物沉淀，填充在陽極化膜孔隙內，從而達到封閉氧化膜的目的。本工藝采用硫酸鎳水解鹽，陽極化膜經硫酸鎳封閉處理時，膜孔中鋁與溶液中的Ni2+離子產生置換反應而覆蓋在鋁基體上，工藝參數如表1所示。

陽極化膜經硫酸鎳溶液封閉處理后膜層幾乎是無色透明的，能與有機染料分子形成絡合物。

1.2第二次鉻酸鉀封閉處理

陽極化膜中的Ni（OH）2與溶液中的鉻酸鉀發生反應，產生鉻酸鎳沉淀，這時膜的顏色呈淡綠微黃色。NiCrO4沉淀溶解度很小，大部分吸附在陽極氧化膜孔隙中，部分轉到溶液中。因此，膜孔中的NiCrO4沉淀能起到持久的防護作用。鉻酸鉀封閉工藝參數如表2所示。

溶液帶入硫酸鎳，會產生少量鉻酸鎳黃色沉淀，這不影響封閉后氧化膜的防護性能，但會對氧化膜的封閉顏色產生一定的影響，因此，槽液應定期進行過濾。

1.3影響膜層封閉質量的因素

膜層的防護能力主要取決于鋁合金的成分、膜層厚度、松孔程度以及陽極化的工藝條件，如電解液溫度、水質和封閉工藝等因素。

1）溫度。封閉溶液溫度越高，水溶液向膜孔擴散的速度越快，氧化膜水化反應速度就快，封閉效果也就好。操作時槽液溫度一定要達到工藝規范。在溶液80℃封閉處理時，既可得到最佳的防護效果，又能節約能源。

3）封閉時間。水化反應直到完全封閉需要一定時間。水化反應開始很快，當表面形成水化薄膜后，水向膜孔的擴散速度開始減慢，水化速度隨之降低。

在硫酸鎳溶液中第一次封閉的時間要比第二次在鉻酸鉀溶液中封閉的時間略長，這樣得到的氧化膜的防護性能更好。在鉻酸鉀溶液中封閉時間要短。陽極氧化膜的防護性能與在鉻酸鉀溶液中的封閉時間有很大關系，鉻酸鉀溶液中由于膜層孔隙中的NiCr04沉淀減少，使膜層的防護性能有所下降，所以第二次封閉處理的時間不宜過長。

2膜層試驗及結果

為了驗證膜層質量，進行了雙重封閉膜層試樣與一次重鉻酸鉀封閉膜層試樣的對比試驗。采用航標HB5055-1993磷酸鉻酸溶解法，對比測定封閉效率。

2.1試驗方法

試樣分兩組。一組為重鉻酸鉀一次性封閉處理的試樣，工藝參數為：K2Cr2O7含量40～50g/L、溫度90～95℃。另一組為硫酸鎳、鉻酸鉀溶液雙重封閉處理的試樣。將試樣切取為面積1dm2的試片，用洗滌汽油擦洗試片表面，在大氣中停留5min。將試片垂直放置于60°C的干燥箱中，保持15min。從干燥箱中取出試片，置于裝有硅膠的干燥器中冷卻30min后，第一次在天平上準確稱重，試片重量精確至1mg（m1）。將全部試片垂直浸入38±1℃的磷酸—鉻酸溶液中，浸泡15min后，從溶液中取出試片，在流動冷水中徹底清洗，然后用去離子水清洗。在60°C的干燥箱中干燥處理15min后，冷卻后第二次稱量試片重量m2）。

2.2試驗溶液成分

試驗溶液所用化學藥品為化學純，配制用水應符合HB5472的要求，試驗條件如表3所示。

磷酸鉻酸溶液可以反復使用，但試樣在溶液中含量超過10dm2/L時則應廢棄。

2.3試驗結果

按“酸溶解法”進行封閉效率檢驗時，單位面積上的重量損失率應小于30mg/dm2。

試驗結果表明，采用水解鎳鹽和鉻酸鹽兩次封閉處理的陽極化膜經磷酸鉻酸溶液浸泡后，外觀沒有發生明顯變化，未出現腐蝕點，膜層完整，試片在磷酸鉻酸溶液中的重量損失為9.5mg/dm2。一次性重鉻酸鉀溶液封閉處理試樣的重量損失為18.4mg/dm2。雙重封閉的耐蝕性能和外觀質量均優于一次性重鉻酸鉀溶液封閉。

3結論

1）鋁合金陽極氧化膜經兩次封閉工藝處理后，用酸溶解法測定氧化膜防護性能，結果為：兩次封閉處理比一次重鉻酸鉀封閉處理的氧化膜防護性能要高許多。

2）鉻酸鉀封閉處理溶液的金屬鹽含量和槽液溫度都比重鉻酸鉀溶液低的多，對降低環境污染和節約能源大有益處。