建筑鋁材表面處理及其性能研究

張境潔，李云紅

（1.承德石油高等專科學(xué)校建筑工程系，河北承德 067000；2.河北民族師范學(xué)院資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理中心，河北承德 067000）

鋁材具有良好的物理化學(xué)和力學(xué)性能，在建筑、汽車、航空航天和化工等行業(yè)中應(yīng)用廣泛。以建筑行業(yè)為例，鋁材可以用于制作扣板、浮雕等裝飾件以及臺(tái)架、支撐架等框架結(jié)構(gòu)。無(wú)論是裝飾件還是框架結(jié)構(gòu)，對(duì)鋁材的表面性能（如耐磨性能、耐蝕性能等）都有較高要求［1-2］。為了提高鋁材的表面性能，通常采用陽(yáng)極氧化工藝進(jìn)行表面處理。

目前，以提高鋁材的耐磨性能和耐蝕性能作為首要目標(biāo)進(jìn)行了很多關(guān)于陽(yáng)極氧化工藝的研究［3-6］，但絕大多數(shù)是針對(duì)某一種陽(yáng)極氧化工藝進(jìn)行研究，最終得到最佳的工藝條件［7-8］。針對(duì)同一種鋁材，采用兩種乃至多種陽(yáng)極氧化工藝進(jìn)行表面處理，并對(duì)處理后試樣的性能進(jìn)行比較的報(bào)道較少。為此，筆者選用建筑鋁材6063-T6 作為基體，分別采用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化和草酸陽(yáng)極氧化進(jìn)行表面處理，并比較了未處理及處理后試樣的微觀形貌、物相、顯微硬度、耐磨性能和耐蝕性能，以期為提高建筑鋁材的表面性能提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體材料和試劑

基體為建筑行業(yè)常用鋁材6063-T6，裁切成40 mm×25 mm×2 mm 的試樣，依次進(jìn)行打磨、除油、酸洗、水洗和烘干處理。試劑選用分析純氫氧化鈉、碳酸鈉、無(wú)水乙醇、硫酸和草酸等。

1.2 表面處理實(shí)驗(yàn)流程

處理后的試樣分成三組，第一組不進(jìn)行表面處理，以下簡(jiǎn)稱USTS。第二組浸入硫酸電解液中，采用硬質(zhì)陽(yáng)極氧化進(jìn)行表面處理，以下簡(jiǎn)稱HATS。第三組浸入草酸電解液中，采用草酸陽(yáng)極氧化進(jìn)行表面處理，以下簡(jiǎn)稱OATS。表1為電解液成分和陽(yáng)極氧化工藝條件。

表1 電解液成分和陽(yáng)極氧化工藝條件Tab.1 Electrolyte composition and anodic oxidation process conditions

1.3 表征與測(cè)試

1.3.1 微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡（Hitachi S-3400N）對(duì)未處理及處理后試樣的微觀形貌進(jìn)行表征，并用便攜式粗糙度儀（Mitutoyo SJ-210）測(cè)量未處理及處理后試樣的表面粗糙度。每個(gè)試樣選取3 個(gè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果取均值。

1.3.2 表面成分和物相

采用X 射線能譜儀（AZtec X-Max50）對(duì)未處理及處理后試樣的表面成分進(jìn)行表征，并用X 射線衍射儀（Bruker D8 Advance）對(duì)未處理及處理后試樣的物相進(jìn)行分析，測(cè)試角度為20～90°，掃描速度設(shè)置8°/min。

1.3.3 顯微硬度

采用維氏硬度計(jì)（MV-TEST1000）測(cè)試未處理及處理后試樣的顯微硬度，實(shí)驗(yàn)載荷為0.49 N，保載時(shí)間10 s。每個(gè)試樣選取3個(gè)點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果取均值。

1.3.4 耐磨性能

采用微型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行對(duì)磨實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中不加潤(rùn)滑介質(zhì)，載荷為1.96 N，相對(duì)轉(zhuǎn)速100 r/min。測(cè)試未處理及處理后試樣的摩擦系數(shù)，同時(shí)采用掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌。

1.3.5 耐蝕性能

采用電化學(xué)分析儀（CHI 600E）測(cè)試未處理及處理后試樣的電化學(xué)阻抗譜，待開路電位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)再進(jìn)行測(cè)試，電解液為3.5%氯化鈉溶液，外加激勵(lì)信號(hào)幅值為10 mV，測(cè)試的頻率為100 kHz～10 mHz。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌

圖1 所示為未處理及處理后試樣的微觀形貌。在USTS 表面可以觀察到打磨痕跡和形狀不規(guī)則的剝落坑。HATS和OATS表面都沒有明顯的磨痕，呈多孔形貌的氧化膜完全覆蓋了鋁基體。將圖1（b）和1（c）進(jìn)行對(duì)照，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)氧化膜與草酸氧化膜的形貌特征沒有顯著差異。相比較而言，硬質(zhì)氧化膜較平整致密。

表2 所示為未處理及處理后試樣的表面粗糙度測(cè)量結(jié)果。USTS 和HATS、OATS 的表面粗糙度分別為0.412 μm、0.378 μm、0.375 μm。與USTS 相比，HATS和OATS的表面粗糙度略有降低，但降低的幅度不大。這表明采用陽(yáng)極氧化進(jìn)行表面處理對(duì)鋁基體的微觀平整度沒有顯著性影響。

表2 未處理及處理后試樣的表面粗糙度Tab.2 Surface roughness of untreated and treated sample

2.2 表面成分和物相

對(duì)未處理及處理后試樣的表面成分（見表3）進(jìn)行分析，得知USTS的表面成分以Al元素為主，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近88 %。HATS 的表面成分以Al 和O 元素為主，兩者的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在36%～41%范圍內(nèi)，另外還有一定量的C 和S 元素。OATS 的表面成分同樣是以Al 和O 元素為主，也含有一定量的C 和S 元素，分析認(rèn)為，HATS 和OATS 中含有的S 元素都源于電解液，而C 元素可能是試樣表面發(fā)生吸附所致。

表3 未處理及處理后試樣的表面成分Tab.3 Surface composition of untreated and treated sample

圖2 所示為未處理及處理后試樣的XRD 圖譜。可以發(fā)現(xiàn)USTS、HATS 和OATS 的XRD 圖譜中都有多個(gè)較為明顯的衍射峰，其中Al 的衍射峰強(qiáng)度最高。USTS 的主要物相為Al相，而HATS 和OATS 的主要物相與USTS有所不同，除了Al相，兩者都含有α-Al2O3相和γ-Al2O3相。這是由于鋁基體浸入電解液中在外加電場(chǎng)的作用下表面原位形成氧化膜，該氧化膜主要成分為鋁的氧化物［9-10］。XRD 圖譜顯示的結(jié)果與表面成分分析結(jié)果基本一致。

圖2 未處理及處理后試樣的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of untreated and treated sample

2.3 顯微硬度和耐磨性能

表4 所示為未處理及處理后試樣的顯微硬度測(cè)量結(jié)果。USTS 和HATS、OATS 的顯微硬度分別為81.9 HV、355.6 HV、273 HV，與USTS相比，HATS的顯微硬度提高了約274 HV，OATS 的顯微硬度提高了約191 HV。其原因在于，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化是在較低的電解液溫度下進(jìn)行，形成的氧化膜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，表現(xiàn)為阻擋層厚度遠(yuǎn)大于多孔層厚度，單元胞孔的壁面也較厚［11］，因此具有良好的抵抗硬質(zhì)物體壓入其表面的能力以及在外力作用下抵抗局部變形的能力。

表4 未處理及處理后試樣的顯微硬度Tab.4 Microhardness of untreated and treated sample

圖3 給出了未處理及處理后試樣的摩擦系數(shù)與顯微硬度的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)USTS 的顯微硬度最低，其摩擦系數(shù)最大。HATS 的顯微硬度最，其摩擦系數(shù)最小。材料的摩擦系數(shù)與耐磨性能之間存在密切關(guān)系，一般來說，摩擦系數(shù)越小，意味著材料具有良好的耐磨性能［12-13］。而摩擦系數(shù)與材料的結(jié)構(gòu)、微觀平整度和顯微硬度等因素有關(guān)，在微觀平整度無(wú)較大差異的情況下，材料的結(jié)構(gòu)和顯微硬度往往是影響其摩擦系數(shù)的重要因素。HATS 特殊的結(jié)構(gòu)使其具有更高的顯微硬度，從而表現(xiàn)出良好的耐磨性能。

圖3 未處理及處理后試樣的摩擦系數(shù)與顯微硬度的關(guān)系Fig.3 Relationship between the coefficient of friction and microhardness of untreated and treated sample

2.4 耐蝕性能

圖4 所示為未處理及處理后試樣的電化學(xué)阻抗譜。Nyquist圖顯示USTS的容抗弧半徑最小，HATS的容抗弧半徑最大，OATS 的容抗弧半徑介于USTS和HATS 之間，但是與HATS 相差不大。容抗弧半徑可以反映材料的耐蝕性能優(yōu)劣，一般來說，容抗弧半徑越大，表明對(duì)電荷傳輸?shù)淖璧K越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的試樣具有良好的耐蝕性能［14］。

圖4 未處理及處理后試樣的電化學(xué)阻抗譜Fig.4 Electrochemical impedance spectrum of untreated and treated sample

Bode 圖顯示USTS 的最大相位角為51°，HATS和OATS 的最大相位角分別達(dá)到57°、55°。最大相位角同樣可以反映材料的耐蝕性能［15］，一般來說，最大相位角越大，意味著材料表面較為均勻，具有良好的耐蝕性能。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)條件下HATS 具有更好的耐磨性能和耐蝕性能，較USTS 有很大程度提高，進(jìn)一步證實(shí)了硬質(zhì)陽(yáng)極氧化是提高建筑鋁材耐磨性能和耐蝕性能的有效措施。OATS 的耐磨性能較USTS也有較大程度提高，但是與HATS 相比存在差距。OATS 的耐蝕性能明顯好于USTS，與HATS 相比略有下降。在提高建筑鋁材的耐磨性能方面，草酸陽(yáng)極氧化無(wú)法替代硬質(zhì)陽(yáng)極氧化，但是在提高建筑鋁材的耐蝕性能方面，草酸陽(yáng)極氧化替代硬質(zhì)陽(yáng)極氧化具有可行性。

3 結(jié)論

（1）與未處理鋁材相比，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化和草酸陽(yáng)極氧化處理后鋁材的微觀形貌有所不同，表面粗糙度略有降低，表面成分和物相明顯不同，摩擦系數(shù)明顯減小，耐磨性能和耐蝕性能都有較大程度提高。

（2）硬質(zhì)陽(yáng)極氧化是提高建筑鋁材表面性能的有效措施，硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理后鋁材具有更好的耐磨性能和耐蝕性能。草酸陽(yáng)極氧化處理后鋁材的耐蝕性能與硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理后鋁材相比略有下降，在提高建筑鋁材的耐蝕性能方面，草酸陽(yáng)極氧化替代硬質(zhì)陽(yáng)極氧化具有可行性。