常温镍盐封闭处理对铝阳极氧化膜性能的影响
常温镍盐封闭处理对铝阳极氧化膜性能的影响
任鑫 初鑫
(辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新123000)
(辽宁工程技术大学材料科学与工程学院，阜新123000)
摘要：为进一步提高铝合金阳极氧化膜的性能，采用以镍盐为主的常温封闭剂对其进行封闭处理。与沸水封闭相比较，分别采用滴碱实验和落砂实验研究了氧化膜封闭前后的耐蚀性能和耐磨性能，结果表明：镍盐封闭处理具有能耗低、污染小、封闭快速等优点，而且耐蚀性和耐磨性明显由于传统的沸水封闭处理，是一种较为理想的封闭处理工艺。
阳极氧化作为铝及铝合金表面应用最为广泛的一种处理技术，可以显著地改善铝及其合金的耐蚀性能，提高铝及其合金表面硬度和耐磨性。铝合金表面经阳极氧化后得到的氧化膜具有高的孔隙率和吸附性，很容易被污染，而且在腐蚀环境中使用时，腐蚀介质易进入孔中引起腐蚀。因此，须采用恰当的封闭技术将氧化膜中的微孔闭合，使阳极氧化膜起到有效保护铝及铝合金表面的作用。
常用的阳极氧化膜封闭技术有沸水封闭、常温金属盐封闭和铬酸盐封闭等。沸水封闭技术是最早应用于铝合金阳极氧化膜封闭处理的技术，但封闭温度高、能耗大、封闭时间长、封闭速率低；铬酸盐封闭技术简单易行，耐蚀性较好，但具有致命的缺点，即六价铬的环境污染问题。为克服高温封闭能耗大、铬盐的环境污染等的缺陷，本文研究了以镍盐为主的常温封闭对阳极氧化的影响。
1 实验
1.1 阳极氧化膜的制备
基材使用6061铝合金，阳极氧化膜制备流程：用水磨砂纸打磨试样→脱脂→水洗→碱蚀→温水洗→水洗→出光→水洗→阳极氧化→水洗→封闭→温水洗→干燥。
阳极氧化工艺为：H2SO4质量浓度为170 g/L，电压为14 V，阳极氧化时间为35 min，阳极氧化温度为21℃。
1.2 封闭处理
沸水封闭。在温度为95～100℃的45～65 g/L蒸馏水中封闭30～40 min，调节溶液PH值为6.5～7.5；在30～50℃的温水清洗1～2 min彻底洗掉工件表面的封闭溶液。将试样挂在支架上自然风干，最后在试样表面上获得白色的阳极氧化膜。
镍盐封闭。封闭工艺如下：
镍盐3～4 g/L，促进剂1 g/L，缓冲剂2 g/L，pH=6.5，T= 35℃，t=20 min。
1.3 性能测试
滴碱实验。在35℃下，将大约10 mg，100 g/L的NaOH溶液滴至封闭前后的试样表面。目视观察液滴处直至产生腐蚀冒泡，计算其氧化膜被穿透时间。时间越长，表明耐蚀效果越好。
落砂实验。将封闭前后的试样固定在支架上，受检面向上，与漏斗口相对，受检面与水平面成45°，试样与漏斗间的距离为60 cm。向漏斗中倒入一定质量的细砂冲击试样，每个试样冲击1次，比较冲击前后试样的质量损失（试样面积均相同），以检验氧化膜的耐磨性。质量损失越少，耐磨性越高。
2 实验结果与讨论
2.1 封闭前后形貌观察
图1为阳极氧化膜封闭前后的表面形貌，由图1a可知，经硫酸阳极氧化后在铝合金表面形成一层均匀的氧化膜，氧化膜表面上存在蜂窝状的多孔结构，所以封闭处理是必不可少的。图1b和图1c分别是沸水封闭和醋酸镍封闭的表面形貌。通过扫描电镜的观察可知，封闭后的试样比未封闭的试样氧化膜致密均匀，氧化膜的质量得到了很大的改善，并且镍盐封闭后的阳极氧化膜更加平整致密，表明镍盐封闭后的外观质量更好。
阳极氧化作为铝及铝合金表面应用最为广泛的一种处理技术，可以显著地改善铝及其合金的耐蚀性能，提高铝及其合金表面硬度和耐磨性。铝合金表面经阳极氧化后得到的氧化膜具有高的孔隙率和吸附性，很容易被污染，而且在腐蚀环境中使用时，腐蚀介质易进入孔中引起腐蚀。因此，须采用恰当的封闭技术将氧化膜中的微孔闭合，使阳极氧化膜起到有效保护铝及铝合金表面的作用。
常用的阳极氧化膜封闭技术有沸水封闭、常温金属盐封闭和铬酸盐封闭等。沸水封闭技术是最早应用于铝合金阳极氧化膜封闭处理的技术，但封闭温度高、能耗大、封闭时间长、封闭速率低；铬酸盐封闭技术简单易行，耐蚀性较好，但具有致命的缺点，即六价铬的环境污染问题。为克服高温封闭能耗大、铬盐的环境污染等的缺陷，本文研究了以镍盐为主的常温封闭对阳极氧化的影响。
1 实验
1.1 阳极氧化膜的制备
基材使用6061铝合金，阳极氧化膜制备流程：用水磨砂纸打磨试样→脱脂→水洗→碱蚀→温水洗→水洗→出光→水洗→阳极氧化→水洗→封闭→温水洗→干燥。
阳极氧化工艺为：H2SO4质量浓度为170 g/L，电压为14 V，阳极氧化时间为35 min，阳极氧化温度为21℃。
1.2 封闭处理
沸水封闭。在温度为95～100℃的45～65 g/L蒸馏水中封闭30～40 min，调节溶液PH值为6.5～7.5；在30～50℃的温水清洗1～2 min彻底洗掉工件表面的封闭溶液。将试样挂在支架上自然风干，最后在试样表面上获得白色的阳极氧化膜。
镍盐封闭。封闭工艺如下：
镍盐3～4 g/L，促进剂1 g/L，缓冲剂2 g/L，pH=6.5，T= 35℃，t=20 min。
1.3 性能测试
滴碱实验。在35℃下，将大约10 mg，100 g/L的NaOH溶液滴至封闭前后的试样表面。目视观察液滴处直至产生腐蚀冒泡，计算其氧化膜被穿透时间。时间越长，表明耐蚀效果越好。
落砂实验。将封闭前后的试样固定在支架上，受检面向上，与漏斗口相对，受检面与水平面成45°，试样与漏斗间的距离为60 cm。向漏斗中倒入一定质量的细砂冲击试样，每个试样冲击1次，比较冲击前后试样的质量损失（试样面积均相同），以检验氧化膜的耐磨性。质量损失越少，耐磨性越高。
2 实验结果与讨论
2.1 封闭前后形貌观察
图1为阳极氧化膜封闭前后的表面形貌，由图1a可知，经硫酸阳极氧化后在铝合金表面形成一层均匀的氧化膜，氧化膜表面上存在蜂窝状的多孔结构，所以封闭处理是必不可少的。图1b和图1c分别是沸水封闭和醋酸镍封闭的表面形貌。通过扫描电镜的观察可知，封闭后的试样比未封闭的试样氧化膜致密均匀，氧化膜的质量得到了很大的改善，并且镍盐封闭后的阳极氧化膜更加平整致密，表明镍盐封闭后的外观质量更好。
2.2 滴碱实验结果
图2为滴碱实验结果。试样1未封闭的阳极氧化试样，试样2为沸水封闭后的试样，试样3为镍盐封闭后的试样。未封闭的试样大约在23 s就被碱液所腐蚀，而镍盐封闭后的试样耐碱时间约为130 s，说明其封闭后的耐蚀性最好。
图2为滴碱实验结果。试样1未封闭的阳极氧化试样，试样2为沸水封闭后的试样，试样3为镍盐封闭后的试样。未封闭的试样大约在23 s就被碱液所腐蚀，而镍盐封闭后的试样耐碱时间约为130 s，说明其封闭后的耐蚀性最好。
2.3 落砂实验结果
图3为落砂实验结果。同样试样1为未封闭的阳极氧化试样，试样2为沸水封闭后的试样，试样3为镍盐封闭后的试样。未封闭的阳极氧化试样的失重为1.2mg，通过镍盐封闭处理后的试样失重为0.4 mg，沸水封闭处理后的试样失重为0.7 mg。可见，封闭后的阳极氧化膜的耐磨性比未封闭的提高很多，并且两种封闭方法中镍盐封闭法耐磨性更好。
图3为落砂实验结果。同样试样1为未封闭的阳极氧化试样，试样2为沸水封闭后的试样，试样3为镍盐封闭后的试样。未封闭的阳极氧化试样的失重为1.2mg，通过镍盐封闭处理后的试样失重为0.4 mg，沸水封闭处理后的试样失重为0.7 mg。可见，封闭后的阳极氧化膜的耐磨性比未封闭的提高很多，并且两种封闭方法中镍盐封闭法耐磨性更好。
综上所述，镍盐封闭之所以有较好的封闭效果，主要有以下几方面原因。常温镍盐封闭液中封闭时与沸水封闭不同，除发生与沸水封闭一样的水合反应外，加入溶液中的镍盐，当溶液pH值为6.0～6.5时，在氧化膜微孔中发生水解反应，生成Ni(OH)2沉淀，反应式如下：
Ni2++2H2O→Ni(OH)2↓+2H+
这一反应在促进剂的作用下速度加快，在发生这个反应的同时，促进剂对氧化膜孔壁的溶解也时进行，溶解的Al3+会形成以络合物形式的化学转化膜，把反应生成的Ni(OH)2和Al2O3埋在膜孔内。上述3个反应周而复始，相互促进，生成3种反应产物，共同将氧化膜微孔封闭，而且这些反应均在常温条件下进行，封闭所需时间明显减少。
3 结论
Ni2++2H2O→Ni(OH)2↓+2H+
这一反应在促进剂的作用下速度加快，在发生这个反应的同时，促进剂对氧化膜孔壁的溶解也时进行，溶解的Al3+会形成以络合物形式的化学转化膜，把反应生成的Ni(OH)2和Al2O3埋在膜孔内。上述3个反应周而复始，相互促进，生成3种反应产物，共同将氧化膜微孔封闭，而且这些反应均在常温条件下进行，封闭所需时间明显减少。
3 结论
用 常温镍盐封闭处理解决了铝合金阳极氧化膜在高温条件下封闭的不稳定性、能耗高、速度慢、污染大等问题，而且具有很好的耐蚀性和耐磨性。因此,常温镍盐封闭处理在铝合金阳极氧化膜的封闭处理中有着广泛的应用前景。
