CN114990537B - 一种铝合金表面磷化处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝合金表面磷化处理方法，属于金属表面处理技术领域，包括表面清洗，表面活化，磷化处理，磷化膜后处理。采用本发明所述磷化处理方法得到的磷化处理的铝合金件，表面耐磨性好，耐腐蚀性好，所得铝合金件的自腐蚀电位为‑0.818~‑0.831V，自腐蚀电流密度为0.013~0.016A/cm2，磨损量为0.0276~0.0297mg/cm2。

Description

一种铝合金表面磷化处理方法
技术领域
本发明涉及一种铝合金表面磷化处理方法，属于金属表面处理技术领域。
背景技术
铝合金经化学转化膜处理，可以改善其耐蚀性，也可作为涂装底层和润滑底层，其中涂装底层处理主要有三种方法：铬酸（或硫酸）阳极化、阿洛丁化学氧化和磷化处理。阳极化处理需要电解槽、电源等设施，投资较大，同时阳极化处理也会降低铝合金的机械性能，尤其对抗疲劳性能影响最大；阿洛丁处理对工件表面的前、后处理要求严，工序复杂。而且这两种处理方法都将产生含铬的有毒工业废水，对环境污染严重。磷化处理对环境污染小，成本低，是具有长远前景的表面防腐蚀处理方法。
中国专利CN105862025A公开了一种铝合金压铸件磷化表面处理工艺，所述工艺包括以下步骤：1.提供铝合金压铸件；2.对铝合金压铸件进行表面预处理；3.对铝合金压铸件进行冷喷涂；4.对铝合金压铸件进行磷化处理。所述铝合金压铸件表面处理工艺，克服了铝合金压铸件表面的缺陷，得到表面质量较高的铝合金压铸产品。该专利磷化处理后的铝合金件，耐腐蚀性能差，表面耐磨性也比较差。
中国专利CN105463432A公开了一种铝合金表面磷化处理用处理液的制备方法，首先向容器中加入7份马来酸酐和40份去离子水，搅拌5分钟；接着缓慢加入5份水杨酸，边加边搅拌，添加完毕后搅拌5分钟；接着缓慢加入6份钼酸铵和20份去离子水，边加边搅拌，添加完毕后搅拌5分钟；然后缓慢加入0.5份黄酮甙，边加边搅拌，添加完毕后搅拌10分钟；最后快速加入5份硝酸胍和30份去离子水，搅拌10分钟。该专利所述磷化液处理得到的铝合金表面耐磨性差，耐腐蚀性也比较差。
以上可以看到，目前铝合金的磷化处理仍存在处理后铝合金表面耐腐蚀性差，耐磨性差等问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种铝合金表面磷化处理方法，实现以下发明目的：磷化处理后得到表面耐磨性好，耐腐蚀性好的铝合金件。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种铝合金表面磷化处理方法，包括表面清洗，表面活化，磷化处理，磷化膜后处理。
以下是对上述技术方案的进一步改进：
步骤1、表面清洗
用100~300目砂纸将铝合金件表面打磨干净后，用清水冲洗除去表面碎屑，自然晾干，然后浸没入清洗液中，将清洗液加热至60~85℃，恒温浸渍20~40分钟后，取出，用清水冲洗3~5次后，自然晾干，得到表面清洗后的铝合金件，备用；
所述清洗液由三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水组成；
所述三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水的质量比为5~9:8~13:1.5~4:1~3:70~100。
步骤2、表面活化
将表面清洗后的铝合金件浸没入活化液中，将活化液加热至85~105℃，恒温浸渍5~13分钟后，取出铝合金件，用清水冲洗3~6次后，自然晾干得到表面活化后的铝合金件；
所述活化液由过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水组成；
所述过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水的质量比为2~9:3~10:1~4:2~5:75~100。
步骤3、磷化处理
将表面活化后的铝合金件浸没入磷化液中，加热至65~90℃，恒温浸渍15~30分钟，取出，用清水冲洗4~6次后，自然晾干，得到磷化处理的铝合金件；
所述磷化液由Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水组成；
所述Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水的质量比为5~14:2~7:8~13:1~4:0.5~1.4:1~3.5:75~90。
步骤4、磷化膜后处理
将磷化处理的铝合金件浸没入105~120℃的后处理液中，恒温浸渍20~40分钟，取出降至室温，用清水冲洗5~7次后，自然晾干，得到表面附有磷化膜的铝合金件；
所述后处理液由钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水组成；
所述钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水的质量比为1~5:4~9:3~6:1~3.5:65~100。
与现有技术相比，本发明取得以下有益效果：
1、采用本发明所述磷化处理方法，得到了表面耐磨性好，耐腐蚀性好的铝合金件，所得铝合金件的自腐蚀电位为-0.818~-0.831V，自腐蚀电流密度为0.013~0.016A/cm2，磨损量为0.0276~0.0297mg/cm2；
2、本发明通过自主设计的活化液对铝合金件进行了表面活化处理，这种活化处理能够积极提升磷化处理时磷化液的反应程度，进而生成耐磨性好，耐腐蚀性好的磷化膜，活化液中的过硫酸钠提供强氧化作用，用来氧化腐蚀铝合金表面，焦磷酸钠能够起到pH缓冲作用，以维持活化过程中pH值的稳定，1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉和亚硝酸钠为表面活性剂和润湿剂，能对铝合金表面起到润湿、吸附和沉积作用，以提高反应过程中，反应物与铝合金表面的接触面积，同时促进铝合金表面反应物吸附和结晶体的沉积；
3、本发明所述磷化液中，加入了共成膜助剂磷酸锰和酒石酸铜，这两者能有效促进磷化膜的结晶细化，提高磷化膜的致密度，同时加入高氯酸钴、2-萘磺酸钠两种磷化促进剂，提升了磷化反应程度，使磷化膜的耐磨性和致密度同时得到提高；
4、本发明设计的磷化膜后处理步骤，能够进一步提升磷化膜的耐磨性和耐腐蚀性，其中钼酸钠和钨酸钠在磷酸氢二钠和丙烯基硫脲提供的碱性环境中，能够进一步封闭磷化膜表面的缺陷，使磷化膜变的更为致密，这能够极大提升磷化膜的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例1表面磷化处理后铝合金的SEM图；
图2为本发明实施例2表面磷化处理后铝合金的SEM图；
图3为本发明实施例3表面磷化处理后铝合金的SEM图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：一种铝合金表面磷化处理方法
包括以下步骤：
1、表面清洗
用200目砂纸将铝合金件表面打磨干净后，用清水冲洗除去表面碎屑，自然晾干，然后浸没入清洗液中，将清洗液加热至75℃，恒温浸渍30分钟后，取出，用清水冲洗4次后，自然晾干，得到表面清洗后的铝合金件，备用；
所述清洗液由三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水组成；
所述三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水的质量比为7:11:3:2:85。
2、表面活化
将表面清洗后的铝合金件浸没入活化液中，将活化液加热至95℃，恒温浸渍10分钟后，取出铝合金件，用清水冲洗5次后，自然晾干得到表面活化后的铝合金件；
所述活化液由过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水组成；
所述过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水的质量比为7:6:3:4:90。
3、磷化处理
将表面活化后的铝合金件浸没入磷化液中，加热至80℃，恒温浸渍25分钟，取出，用清水冲洗5次后，自然晾干，得到磷化处理的铝合金件；
所述磷化液由Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水组成；
所述Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水的质量比为9:4:10:2:0.9:2.5:85。
4、磷化膜后处理
将磷化处理的铝合金件浸没入110℃的后处理液中，恒温浸渍30分钟，取出降至室温，用清水冲洗6次后，自然晾干，得到表面附有磷化膜的铝合金件；
所述后处理液由钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水组成；
所述钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水的质量比为3:6:5:2:80。
实施例2：一种铝合金表面磷化处理方法
包括以下步骤：
1、表面清洗
用100目砂纸将铝合金件表面打磨干净后，用清水冲洗除去表面碎屑，自然晾干，然后浸没入清洗液中，将清洗液加热至60℃，恒温浸渍20分钟后，取出，用清水冲洗3次后，自然晾干，得到表面清洗后的铝合金件，备用；
所述清洗液由三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水组成；
所述三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水的质量比为5:8:1.5:1:70。
2、表面活化
将表面清洗后的铝合金件浸没入活化液中，将活化液加热至85℃，恒温浸渍5分钟后，取出铝合金件，用清水冲洗3次后，自然晾干得到表面活化后的铝合金件；
所述活化液由过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水组成；
所述过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水的质量比为2:3:1:2:75。
3、磷化处理
将表面活化后的铝合金件浸没入磷化液中，加热至65℃，恒温浸渍15分钟，取出，用清水冲洗4次后，自然晾干，得到磷化处理的铝合金件；
所述磷化液由Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水组成；
所述Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水的质量比为5:2:8:1:0.5:1:75。
4、磷化膜后处理
将磷化处理的铝合金件浸没入105℃的后处理液中，恒温浸渍20分钟，取出降至室温，用清水冲洗5次后，自然晾干，得到表面附有磷化膜的铝合金件；
所述后处理液由钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水组成；
所述钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水的质量比为1:4:3:1:65。
实施例3：一种铝合金表面磷化处理方法
包括以下步骤：
1、表面清洗
用300目砂纸将铝合金件表面打磨干净后，用清水冲洗除去表面碎屑，自然晾干，然后浸没入清洗液中，将清洗液加热至85℃，恒温浸渍40分钟后，取出，用清水冲洗5次后，自然晾干，得到表面清洗后的铝合金件，备用；
所述清洗液由三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水组成；
所述三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水的质量比为9:13:4:3:100。
2、表面活化
将表面清洗后的铝合金件浸没入活化液中，将活化液加热至105℃，恒温浸渍13分钟后，取出铝合金件，用清水冲洗6次后，自然晾干得到表面活化后的铝合金件；
所述活化液由过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水组成；
所述过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水的质量比为9:10:4:5:100。
3、磷化处理
将表面活化后的铝合金件浸没入磷化液中，加热至90℃，恒温浸渍30分钟，取出，用清水冲洗6次后，自然晾干，得到磷化处理的铝合金件；
所述磷化液由Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水组成；
所述Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水的质量比为14:7:13:4:1.4:3.5:90。
4、磷化膜后处理
将磷化处理的铝合金件浸没入120℃的后处理液中，恒温浸渍40分钟，取出降至室温，用清水冲洗7次后，自然晾干，得到表面附有磷化膜的铝合金件；
所述后处理液由钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水组成；
所述钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水的质量比为5:9:6:3.5:100。
实施例1-3表面磷化处理后铝合金的SEM图见附图1-3；由附图1-3可见，磷化膜的表面均呈现一定的纹理结构，且磷化膜的平整度较好，未观察到有明显的凸起或凹陷区域，另外磷化膜的孔隙缺陷也极少，致密度较高，这表明磷化处理的工艺过程中，磷化物晶体生成和沉积的速率非常平稳，晶体间内聚力较强，所以能够最终得到致密度较高的磷化膜层。
对比例1：在实施例1基础上，不进行步骤2表面活化
步骤1同于实施例1操作；
步骤2中，在实施例1基础上将清洗后的铝合金件浸没入磷化液中，其它操作同于实施例1中的步骤3；
步骤3中操作同于实施例1中的步骤4。
对比例2：在实施例1基础上，步骤3中将磷酸锰、酒石酸铜等量替换为去离子水
步骤1、2的操作同于实施例1；
步骤3中，在实施例1基础上，将4份磷酸锰和2份酒石酸铜等量替换为6份去离子水，其它操作同于实施例1；
步骤4操作同于实施例1。
对比例3：在实施例1基础上，步骤3中将高氯酸钴、2-萘磺酸钠等量替换为去离子水
步骤1、2的操作同于实施例1；
步骤3中，在实施例1基础上，将0.9份高氯酸钴和2.5份2-萘磺酸钠等量替换为3.4份去离子水，其它操作同于实施例1；
步骤4操作同于实施例1。
对比例4：在实施例1基础上，不进行步骤4磷化膜后处理
步骤1、2、3操作同于实施例1操作，得到磷化处理的铝合金件即为最终磷化处理的铝合金件。
耐腐蚀性测试：
将实施例1、2、3和对比例1、2、3、4得到的铝合金件作为工作电极，以铂电极作为辅助电极，以氧化汞电极和饱和甘汞电极作为参比电极，电解溶液为质量分数3 .5%的NaCl溶液，测量不同铝合金电极试样的塔菲尔曲线，控制测试电位的扫面范围是开路电位± 1.5V，扫描频率设置为 0 .5mV/s，由此得出自腐蚀电位和自腐蚀电流密度，具体测试数值见表1，自腐蚀电位越高，自腐蚀电流密度越低，耐腐蚀性越好；
表1
Figure 992742DEST_PATH_IMAGE001
由表1中数据可以看到，与实施例1、2、3相比，不进行表面活化的对比例1，自腐蚀电位有所降低，自腐蚀电流也有所增大，耐腐蚀性变差，这是因为不进行表面活化，磷化处理时，铝合金表面难以和磷化液中的有效成分充分反应，得到的磷化膜耐腐蚀性变差；对比例2中不加入磷酸锰、酒石酸铜这两种能减小磷化膜结晶尺寸的物质，导致形成的磷化膜结晶度降低，进而影响了抗腐蚀效果；对比例3中，不加入高氯酸钴、2-萘磺酸钠这两种促进剂，自腐蚀电位降幅最大，同时自腐蚀电流也增幅最大，可见高氯酸钴、2-萘磺酸钠对提升磷化膜的抗腐蚀性能有显著作用；对比例4中，不进行磷化膜后处理，自腐蚀电位显著降低，同时自腐蚀电流也相应增大很多，这是因为后处理能够进一步增强磷化膜的致密程度，提高抗腐蚀性。
耐磨性测试：
在1kg压力下，将实施例1、2、3和对比例1、2、3、4得到的铝合金件，在1000目20cm长砂纸上往复30次打磨后测量其磨损量，结果见表2：
表2
Figure 856793DEST_PATH_IMAGE002
由表2中数据可以看到，与实施例1、2、3相比，不进行表面活化的对比例1，耐磨性显著降低，这是因为不进行表面活化，磷化膜与基体金属的反应程度会降低，这使得磷化膜较为蓬松，耐磨性相应降低；对比例2中不加入磷酸锰、酒石酸铜会导致形成的磷化膜结晶度降低，耐磨性会大幅降低；对比例3中，不加入高氯酸钴、2-萘磺酸钠这两种促进剂，耐磨性也有非常明显的降低，这是因为促进剂对磷化膜的生成至关重要，不加促进剂，磷化膜的沉积会受到影响，进而影响耐磨性；对比例4中，不进行磷化膜后处理，耐磨性下降最为严重，可见后处理能够显著提升磷化膜的致密度和附着力。

Claims (2)

1.一种铝合金表面磷化处理方法，其特征在于：包括表面清洗，表面活化，磷化处理，磷化膜后处理；
所述表面清洗，其方法为用100~300目砂纸将铝合金件表面打磨干净后，用清水冲洗除去表面碎屑，自然晾干，然后浸没入清洗液中，将清洗液加热至60~85℃，恒温浸渍20~40分钟后，取出，用清水冲洗3~5次后，自然晾干，得到表面清洗后的铝合金件，备用；
所述清洗液由三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水组成；
所述三聚磷酸钠、酒石酸、六亚甲基四胺、苯甲酸钠、去离子水的质量比为5~9:8~13:1.5~4:1~3:70~100；
所述表面活化，其方法为将表面清洗后的铝合金件浸没入活化液中，将活化液加热至85~105℃，恒温浸渍5~13分钟后，取出铝合金件，用清水冲洗3~6次后，自然晾干得到表面活化后的铝合金件；
所述活化液由过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水组成；
所述过硫酸钠、焦磷酸钠、1-(2-羟乙基)-2-烷基-咪唑啉、亚硝酸钠、去离子水的质量比为2~9:3~10:1~4:2~5:75~100；
所述磷化处理，其方法为将表面活化后的铝合金件浸没入磷化液中，加热至65~90℃，恒温浸渍15~30分钟，取出，用清水冲洗4~6次后，自然晾干，得到磷化处理的铝合金件；
所述磷化液由Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水组成；
所述Zn( H2PO4) 2、磷酸锰、磷酸、酒石酸铜、高氯酸钴、2-萘磺酸钠、去离子水的质量比为5~14:2~7:8~13:1~4:0.5~1.4:1~3.5:75~90；
所述磷化膜后处理，其方法为将磷化处理的铝合金件浸没入105~120℃的后处理液中，恒温浸渍20~40分钟，取出降至室温，用清水冲洗5~7次后，自然晾干，得到表面附有磷化膜的铝合金件；
所述后处理液由钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水组成。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金表面磷化处理方法，其特征在于：
所述钼酸钠、磷酸氢二钠、丙烯基硫脲、钨酸钠、去离子水的质量比为1~5:4~9:3~6:1~3.5:65~100。
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