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摘要：在草酸一硼酸電解液中，采用恒流模式對鋁合金進行陽極氧化。通過正交實驗，選定最佳電解液配方為：草酸0. 075mol/L，硼酸0.025 mol/L，電流密度1.25 A/dm2。在此條件下獲得的陽極氧化膜較厚且可明顯提高基體的耐蝕性。其中，草酸和硼酸對實驗結果影響較大，電流密度對實驗結果影響相對較小。
關鍵詞：草酸；硼酸；陽極氧化；正交實驗
中圖分類號：TG 174 文獻標識碼：A 又章編號：1000-4742(2012)06-0033-03
0前言
鋁合金具有密度小、質量輕、導熱性和導電性好等特點，是目前工業(yè)中使用量僅次于鋼鐵的第二大類金屬材料[1]。但鋁合金材料硬度低、耐磨性差，常發(fā)生腐蝕破損[2]。為了提高鋁合金的耐磨性、耐蝕性以及電絕緣性，常對其進行陽極氧化。在目前常見的陽極氧化方法中，草酸陽極氧化膜具有良好的耐蝕性、耐磨性和電絕緣性，但草酸法的成本較高，電能消耗較大，使其應用受到限制。研究表明[3-7]：通過使用混合酸電解液、脈沖電流、添加劑等方式可彌補使用純草酸電解液的不足，獲得符合工藝要求的陽極氧化膜。
本實驗在草酸一硼酸電解液中，采用恒流模式對鋁合金進行陽極氧化處理。通過正交實驗優(yōu)選出最佳的電解液配方，并對所得陽極氧化膜的性能進行分析。
1 實驗
1.1 實驗材料
實驗所用材料為2 024鋁合金，其主要成分的質量分數(shù)為：Si 0.5%，F(xiàn)e 0.5%，Cu 3.8%～4.9 %,Mn O.3%～0.9%,Mg l.2%～1.8%,Cr0.1%，Zn 0.25%，Ti O．15%，Al余量。試樣規(guī)格為28 mm×28 mm×3 mm。
12 工藝流程
打磨——拋光——蒸餾水洗——堿洗——蒸餾水洗——酸洗——蒸餾水洗——陽極氧化——蒸餾水洗——干燥
1.3 陽極氧化
陽極氧化在室溫下進行，采用直流穩(wěn)壓電源，最大輸出電壓為310 V，最大輸出電流為10 A。以不銹鋼為陰極，以2 024鋁合金試片為陽極。將前處理后的試樣放人由草酸和硼酸組成的？昆合酸電解液中，采用恒流模式進行陽極氧化處理，成膜時間為25 min。處理后的試樣經蒸餾水沖洗并干燥。
1.4測試方法
(1)厚度測試
采用TT 230型覆層測厚儀測量膜層厚度，取6個點的平均值作為膜層的平均厚度。
(2)點滴實驗
將檢驗液滴在陽極氧化膜表面，檢驗液透過膜層與鋁合金基體發(fā)生反應，使點滴表面變成綠色。檢驗液配方為：濃鹽酸25 mL，K2Cr2073 g，H20 75 mL。
(3)電化學測試
采用CHI760B型電化學工作站在室溫下測試極化曲線和電化學交流阻抗譜。采用三電極體系，工作電極為待測試樣（暴露面積為1 cm2），參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為1 cm2的鉑片，腐蝕介質為質量分數(shù)為3.5%的氯化鈉溶液。極化曲線的測試條件為：掃描速率0. 01 mV/s，初始電位-1.5 V，結束電位1.0 V。電化學交流阻抗譜測試的條件為：初始電位為系統(tǒng)開路電位，頻率范圍0.01 Hz～0.1 MHz，用ZsimpWin分析軟件系統(tǒng)對譜圖進行模擬分析，通過模擬等效電路來分析腐蝕行為。
1.5正交實驗設計
選取草酸、硼酸和電流密度為3個因素，采用L16(43)進行正交實驗優(yōu)化電解液配方。
2 結果與討論
2.1 正交實驗結果
2.1.1工藝優(yōu)化
采用L16 (43)正交實驗，以陽極氧化膜的自腐蝕電流密度為評價指標，優(yōu)化電解液配方。通過正交實驗，選定最佳電解液配方為：草酸0. 075 mol/L，硼酸0. 025 mol/L，電流密度1.25 A/dm2。
2.1.2影響因素分析
(1)草酸
草酸的濃度直接影響陽極氧化膜的生長速率和絕緣性[3]。草酸的濃度較低時，電解電壓非常高，而且草酸根離子對陽極氧化膜的親和力變弱，氯離子等雜質的影響變大，容易產生電解腐蝕、凹痕等缺陷；草酸的濃度較高時，陽極氧化膜變得疏松，膜層的溶解速率加快，絕緣性及其他性能降低[8]。
(2)硼酸
硼酸的濃度主要對陽極氧化膜的阻擋層和多孔層的結構產生影響。其濃度增加，可改善膜層的外觀和降低氧化還原反應的速率，獲得更加致密、耐蝕性更好的陽極氧化膜。
(3)電流密度
在陽極氧化過程中，陽極氧化膜處在一個陽極生成／電解液溶解的動態(tài)平衡中，只有當生成速率大于溶解速率時，才會形成陽極氧化膜。電流密度過小時，膜層較薄，耐蝕性、耐磨性較差；電流密度過大時，反應速率過快，造成氧化反應不均勻，膜層的粗糙度增加，同時電能消耗較大。
2.2膜層性能分析
圖1為空白試樣與最佳配方所得陽極氧化膜的Tafel極化曲線。表1為空白試樣與最佳配方所得陽極氧化膜的性能比較。由表1可知：與空白試樣相比，最佳配方所得陽極氧化膜的自腐蝕電位正移了0. 399 V，自腐蝕電流密度降低了3個數(shù)量級，且點滴時間明顯變長。
圖2為空白試樣與最佳配方所得陽極氧化膜的EIS曲線。用容抗弧半徑的大小表征陽極氧化膜的耐蝕性，容抗弧半徑越大，陽極氧化膜的耐蝕性越好[9]。由圖2可知：陽極氧化膜的容抗弧半徑大于空白試樣的，表明陽極氧化膜的膜層電阻較大，腐蝕介質很難與基體接觸，表現(xiàn)出良好的耐蝕性。
通過Tafel極化曲線、EIS曲線、點滴實驗可以看出：最佳配方所得陽極氧化膜的耐蝕性明顯優(yōu)于空白試樣的。這表明采用直流穩(wěn)壓電源，運用陽極氧化法在鋁合金表面形成的絕緣氧化膜可明顯改善基體的耐蝕性。
3 結論
通過正交實驗，選定最佳電解液配方為：草酸0.075 mol/L，硼酸0.025 mol/L，電流密度1.25 A/dm2。在此條件下獲得的陽極氧化膜較厚且可明顯提高基體的耐蝕性。其中，草酸和硼酸對實驗結果影響較大，電流密度對實驗結果影響相對較小。
參考文獻：
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