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鋁鑄件的損壞主要發(fā)生在表面，鋁合金材料表面增強具有重要的經(jīng)濟價值。鑄造鋁合金表面耐腐蝕性能的改善通過微弧氧化、電沉積、多弧離子鍍、化學(xué)復(fù)合鍍和化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等電化學(xué)方法來實現(xiàn)。鑄造鋁合金可以通過電化學(xué)方法獲得改性層，其目的是賦予表面耐腐蝕性、耐磨性、裝飾性以及其他特性。
1微弧氧化陶瓷層
微弧氧化(Microarcoxidation，MAO)又稱微等離子體氧化(Microplasmaoxidation，MPO)，是通過電解液與相應(yīng)電參數(shù)的組合，在鋁、鎂、鈦及其合金表面依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時高溫高壓作用，生長出以基體金屬氧化物為主的陶瓷膜層。由于在微弧氧化過程中，化學(xué)氧化、電化學(xué)氧化、等離子體氧化同時存在，微弧氧化工藝將工作區(qū)域引入到高壓放電區(qū)域，極大地提高了膜層的綜合性能。微弧氧化膜層與基體結(jié)合牢固，結(jié)構(gòu)致密，韌性高，具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高溫沖擊和電絕緣等特性。該技術(shù)操作簡單和易于實現(xiàn)膜層功能調(diào)節(jié)，而且工藝不復(fù)雜，不造成環(huán)境污染，是一項全新的綠色環(huán)保型材料表面處理技術(shù)，在航空航天、機械、電子、裝飾等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
合金元素Cu、Mg有利于微弧氧化的進行，而Si元素則有礙于微弧氧化。對含硅量為8%～12%的ZL系列鑄鋁合金的微弧氧化工藝條件、膜層結(jié)構(gòu)以及成膜過程進行了研究。結(jié)果表明：鑄鋁合金在水玻璃復(fù)合體系中進行微弧氧化，可以得到一層細膩、均勻、較厚、顯微硬度較高的陶瓷氧化膜；微弧氧化電解液體系中，水玻璃能夠使鑄鋁合金的微弧氧化順利進行；Na2WO4和EDTA二鈉復(fù)配可提高膜層硬度；該研究條件下獲取ZL109合金微弧氧化膜的工藝條件為NaOH：2～4g/L，水玻璃：5～7mL/L，Na2WO4：2～4g/L，EDTA二鈉：2～4g/L，微弧氧化電流密度30～40A/dm2，溶液溫度30～40℃，強攪拌。此外，也對ZL109的微弧氧化進行了研究，獲得了致密層厚度76μm以上，顯微硬度HV1600均勻氧化陶瓷膜層。
交流電源恒流條件下鋁合金表面微弧氧化-黑化一體化處理研究顯示，釩酸鹽對微弧氧化陶瓷膜的黑化效果具有決定性作用；黑色陶瓷膜色澤穩(wěn)定，具有較高的顯微硬度，并能對基體金屬提供有效的腐蝕防護；黑色陶瓷膜主要元素組成包括O、Al、Si、V和P，膜中化合物主要以無定形態(tài)和/或微晶態(tài)形式存在，只發(fā)現(xiàn)少量的γ-Al2O3和ε-Al2O3晶體；黑色陶瓷膜為較為疏松的單層結(jié)構(gòu)，其表面在微觀尺度上粗糙不平，存在較為密集的尺寸為μm量級的微孔，并有明顯的高溫?zé)Y(jié)痕跡和微裂紋；黑色陶瓷膜的微觀結(jié)構(gòu)與其形成機制有關(guān)。
ZL101鑄造鋁硅合金微弧氧化陶瓷膜生長分為3個階段，氧化初期，電流密度較高，但膜層生長較慢。在膜快速生長階段，膜生長速率達到極大值；膜生長進入平穩(wěn)期后，基本保持恒定，樣品的外部尺寸不再增加，膜逐漸轉(zhuǎn)向基體內(nèi)部生長；合金化元素硅的影響主要表現(xiàn)為氧化初期對膜生長的阻礙作用；鑄造鋁合金經(jīng)過微弧氧化處理后，腐蝕電流大幅下降，極化電阻增加了幾個數(shù)量級；較薄的微弧氧化膜同樣大幅度提高了鋁-硅合金的耐蝕性。
中性鹽霧腐蝕試驗法研究高強度鑄造鋁合金ZL205微弧氧化陶瓷膜的結(jié)果表明，微弧氧化處理能顯著提高ZL205的耐腐蝕性能，隨著厚度的增加，陶瓷膜的耐腐蝕性能提高，但在厚度達到一定值后，陶瓷膜的耐腐蝕性能提高不明顯；隨著厚度的增加，微弧氧化膜的表面形貌和相結(jié)構(gòu)都發(fā)生變化，從而導(dǎo)致微弧氧化膜的耐腐蝕性能發(fā)生變化。
2電沉積層
電沉積(electrodeposition)是金屬或合金從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中電化學(xué)沉積的過程。是金屬電解冶煉、電解精煉、電鍍、電鑄過程的基礎(chǔ)。這些過程在一定的電解質(zhì)和操作條件下進行，金屬電沉積的難易程度以及沉積物的形態(tài)與沉積金屬的性質(zhì)有關(guān)，也依賴于電解質(zhì)的組成、pH值、溫度、電流密度等因素。利用電化學(xué)方法對ZL105鋁合金表面電沉積Ni2SiC復(fù)合鍍層的耐蝕性能進行了研究。結(jié)果表明，Ni2SiC復(fù)合鍍層的表面形貌與純Ni鍍層截然不同，耐蝕性能優(yōu)于純Ni鍍層，經(jīng)過300℃×2h熱處理后，耐蝕性能進一步得到提高。
3多弧離子鍍層
多弧離子鍍是真空室中，利用氣體放電或被蒸發(fā)物質(zhì)部分離化，在氣體離子或被蒸發(fā)物質(zhì)粒子轟擊作用的同時，將蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。離子鍍把輝光放電現(xiàn)象、等離子體技術(shù)和真空蒸發(fā)三者有機結(jié)合起來，不僅能明顯地改進了膜質(zhì)量，而且還擴大了薄膜的應(yīng)用范圍。
其優(yōu)點是薄膜附著力強，繞射性好，膜材廣泛等。離子鍍種類很多，蒸發(fā)遠加熱方式有電阻加熱、電子束加熱、等離子電子束加熱、高頻感應(yīng)加熱等。多弧離子鍍采用的是弧光放電，而并不是傳統(tǒng)離子鍍的輝光放電進行沉積。簡單的說，多弧離子鍍的原理就是把陰極靶作為蒸發(fā)源，通過靶與陽極殼體之間的弧光放電，使靶材蒸發(fā)，從而在空間中形成等離子體，對基體進行沉積。在ZL201鋁合金表面多弧離子鍍Ti-Cr-N涂層，并在Ti-Cr-N涂層上制備一層脂類薄膜。結(jié)果表明：Ti-Cr-N涂層中的Cr以固溶體的方式存在于TiN晶體中，沒有形成單獨的CrN相；涂層可以有效提高ZL201鋁合金的抗鹽霧腐蝕的能力。
4化學(xué)復(fù)合鍍層
在鍍覆溶液中加入非水溶性的固體微粒，使其與主體金屬共同沉積形成鍍層的工藝稱之為復(fù)合鍍。若采用電鍍的工藝則稱之為復(fù)合電鍍；若采用化學(xué)鍍的工藝則稱之為復(fù)合化學(xué)鍍。所得鍍層稱為復(fù)合鍍層。原則上，凡可鍍覆的金屬均可作為主體金屬，但研究和應(yīng)用較多的是鎳、鉻、鈷、金、銀、銅等幾種金屬。作為固體微粒主要有兩類，一類是提高鍍層耐磨性的高硬度、高熔點的微粒；一類是提高鍍層自潤滑特性的固體潤滑劑微粒。在鑄鋁表面制備Ni-P-金剛石化學(xué)復(fù)合鍍層，結(jié)果表明，硫酸高鈰能促進金剛石微粒進入鍍層，隨硫酸高鈰含量增加鍍液穩(wěn)定性大幅提高后趨于平穩(wěn)，Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層耐磨性優(yōu)于Ni-P鍍層，添加2mg/L硫酸高鈰后進一步顯著提高，與Ni-P鍍層相比，復(fù)合鍍層耐蝕性差，添加硫酸高鈰后有所改善。
5化學(xué)轉(zhuǎn)化膜
化學(xué)轉(zhuǎn)化膜是使金屬與特定的腐蝕液相接觸，在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在金屬表面形成一層附著力良好的、難溶的生成物膜層。這些膜層，或者能保護基體金屬不受水和其它腐蝕介質(zhì)的影響，或者能提高有機涂膜的附著性和耐老化性，或者能賦予表面其它性能。化學(xué)轉(zhuǎn)化膜由于是基體金屬直接參與成膜反應(yīng)而生成，因而與基體的結(jié)合力比電鍍層和化學(xué)鍍層大的多。幾乎所有的金屬都可以在選定的介質(zhì)中通過轉(zhuǎn)化處理，得到不同應(yīng)用目的的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，但目前工業(yè)上應(yīng)用較多的是鋼鐵、鋁、鋅、銅、鎂及其合金。化學(xué)轉(zhuǎn)化膜同金屬上別的覆蓋層(例如金屬的電沉積層)不一樣，它的生成必須有基底金屬的直接參與，與介質(zhì)中陰離子生成自身轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物(MmAn)，因此也可以說化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的形成實際上可看作是受控的金屬腐蝕的過程。化學(xué)轉(zhuǎn)化膜按膜的主要組成物的類型分為：氧化物膜，磷酸鹽膜，鉻酸鹽膜，草酸鹽膜等。
鋁合金在大氣環(huán)境下容易發(fā)生晶間腐蝕而破壞。目前應(yīng)用的高強度鑄造鋁合金一般含有硅、銅、鎂等元素，這些元素的加入增加了合金的腐蝕敏感性。其次是表面硬度低，容易磨損，外表光澤不能保持長久，所以要求有較高的保護措施。其中在鋁合金表面上生成化學(xué)轉(zhuǎn)化膜具有設(shè)備簡單、成本低、投資省等優(yōu)點。采用鉻酸鹽法在Y112合金上生成化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，實驗結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)化膜具有高的耐腐蝕性，并具有美觀的金黃色外表面。
以錳酸鹽和鋯鹽為主鹽，在鋁合金表面化學(xué)氧化得到的化學(xué)氧化膜[13]的腐蝕電位比鋁合金試樣的腐蝕電位正0.45V左右，腐蝕電流密度僅0.286μA/cm2；交流阻抗譜圖低頻端的阻抗值比鋁合金試樣的值大一個數(shù)量級；鋁合金化學(xué)氧化膜外觀呈金黃色，具有規(guī)則排列的柱狀生長結(jié)構(gòu)。
用無鉻化學(xué)方法在鑄鋁合金表面制得黑色轉(zhuǎn)化膜，利用點滴試驗評價了膜的耐蝕性能。分別采用掃描電鏡及電子探針觀察膜的形貌、測定其組成元素，最后提出了黑色膜的形成機理和耐蝕機理。
6結(jié)語
鑄造鋁合金的表面耐腐蝕性處理可以通過電化學(xué)方法得以改善。現(xiàn)有的研究多停留在試樣上，應(yīng)用研究較少。在實際應(yīng)用中，單獨用一種工藝技術(shù)就能提高鑄造鋁合金的防護性、裝飾性和功能性問題比較少見，有必要對現(xiàn)有的改性技術(shù)綜合考慮，對此開展系統(tǒng)的研究。鑄造鋁合金的表面耐腐蝕性改善和耐磨性改善的綜合研究更有意義。
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