铝合金钛锆体系无铬钝化工艺及其性能研究

摘要

铬酸盐钝化处理是铝及其合金表面处理最常用的方法，但是由于铬酸盐的对人体的毒害性较大，对环境的污染严重，目前在很多行业已经被禁止或限制使用，为此人们开发了一系列绿色环保的无铬钝化金属以此来替代传统的铬酸盐钝化工艺。钛锆系无铬转化技术是目前为止得到工业化应用的少数无铬化处理技术之一。本文在6061铝合金表面制备出了无色的Ti-Zr化学转化膜，并对转化膜的成膜工艺膜层性能进行了研究。
　　采用正交试验和单因素试验的方法研究了转化液中各组分、反应时间和反应pH值对钛锆转化膜耐蚀性能的影响，实验确定6061铝合金表面Ti-Zr转化膜制备佳工艺条件为：1.70 g·L-1 H2TiF6(50mass％)，0.5g·L-1 H2ZrF6(45mass%)，添加剂A0.25g·L-1，反应pH值4.0，反应时间120s，反应温度30oC，干燥温度60oC，干燥时间30min。电化学测试结果表明6061铝合金经Ti-Zr钝化处理后，铝合金的腐蚀电流密度由裸片的5.63μA·cm-2下降到1.518μA·cm-2，铝合金的耐蚀性增强。盐雾实验结果表明经Ti-Zr钝化处理的铝合金的耐蚀性能经过168h中性盐雾试验后，铝合金表面仅有2%的面积被腐蚀。实验表明本实验制备的Ti-Zr转化膜与油漆的结合力良好，但与商业化产品相比略有差距。通过 SEM、EDS等测试手段对Ti-Zr转化膜的微观形貌和元素组成进行了分析，结果表明Ti-Zr转化膜由大量的纳米颗粒组成，这些颗粒主要由Ti、Zr、Al、O、F五种元素组成。由SEM和EDS分析可知钛、锆和铝的氢氧化物或氧化物优先在Al(Fe,Mn)Si等金属间化合物表面沉积，然后逐渐扩散至整个铝合金基体表面在整个铝合金表面成膜。Ti-Zr转化膜很薄，厚度小于0.3μm。
　　为进一步改善转化膜的耐蚀性能和与油漆的结合力，在Ti-Zr转化膜表面制备了一层硅烷膜。通过对比分析可知在TEOS、KH-550、KH-570和硅烷偶联剂H四种有机硅烷中硅烷偶联剂H制备的钛锆-硅烷复合膜对铝合金的腐蚀防护性能最好。通过正交和单因素实验确定硅烷偶联剂 H制备复合膜的最佳工艺条件为：硅烷偶联剂 H浓度2vol%，V(醇)/V(水)=5/95，水解时间12h以上，反应时间t1=10min，反应温度T1=30oC，固化温度T2=100℃，固化时间t2=30min。通过红外等测试手段可知硅烷偶联剂H在转化膜表面以-Si-O-Si-的形式相互交联成膜，形成一层很薄的硅烷膜，阻碍腐蚀介质与基体的进一步接触，增强铝合金的耐蚀性能。盐雾实验表明经过500h中性盐雾试验后6061铝合金表面没有发现腐蚀。使用硅烷偶联剂H在6061铝合金表面制备的钛锆-硅烷复合膜与油漆的结合力良好，可以达到0级。涂覆油漆后分别经过1008h中性盐雾实验和1008h的5mass%NaCl浸泡实验后，在试样表面没有发现腐蚀和油漆脱落的现象。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 铝的E-pH图

1.3 铝的腐蚀分类

1.4 铝合金分类

1.5 铝合金表面铬酸盐钝化处理技术

1.6 铝合金表面无铬处理技术

1.7 本课题的研究目的及主要研究内容

第2章 实验材料和研究方法

2.1 实验材料及仪器

2.2 钝化膜的制备工艺

2.3 铝合金表面无铬钝化膜的测试及分析方法

第3章 钛锆无铬钝化工艺研究

3.1 六氟钛酸和六氟锆酸浓度对转化膜耐蚀性能的影响

3.2 氟离子浓度对转化膜耐蚀性能影响

3.3 添加剂对转化膜耐蚀性能的影响

3.4 反应时间对转化膜耐蚀性能的影响

3.5 反应pH值对转化膜耐蚀性能的影响

3.6 钛锆转化膜耐蚀性分析

3.7 转化膜的涂漆性能

3.8 本章小结

第4章 铝合金表面钛锆转化膜成膜机制研究

4.1 钛锆无铬转化膜的成膜过程分析

4.2 钛锆转化膜面扫描分析

4.3 钛锆转化膜表面形貌分析

4.4 转化膜的断面扫描分析

4.5 钛锆转化膜的粗糙度测试

4.6 本章小结

第5章 铝合金表面Ti-Zr转化膜有机封闭工艺研究

5.1 有机硅烷的筛选

5.2 铝合金表面钛锆-硅烷复合膜制备工艺优化

5.3 钛锆-硅烷复合膜耐蚀性分析

5.4 复合膜的涂漆性能

5.5 接触角测试

5.6 红外分析

5.7 钛锆-硅烷复合膜成膜机理分析

5.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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