表面處理網訊鋁合金因具有質輕強度高導熱好耐腐蝕易加工成形等優點被廣泛應用于交通運輸建筑裝飾機械制造航空航天等領域鋁合金構件通常采用粘接的方式連接具有結構輕成本低連接效率高無鉆孔引起的應力集中不同材料連接無電偶腐蝕等優點[1]某型車輛負重輪采用鋁合金2A50制成在掛膠前對其表面進行噴砂處理以提高粘接性能但實際使用后發現粘接性能仍較差負重輪脫膠嚴重

提高鋁合金表面粘接性能的常用方法有機械打磨噴砂陽極氧化等其中陽極氧化使用的較為廣泛陽極氧化按所用電解液可分為硫酸陽極氧化磷酸陽極氧化草酸陽極氧化和鉻酸陽極氧化本文采用以磷酸和硫酸為主要成分的混合電解液對鋁合金2A50表面進行陽極氧化處理作為粘接的前處理發揮了磷酸和硫酸電解液成膜粘接性能良好的優點特別是磷酸電解液成膜孔徑大耐老化性能好及硫酸電解液成膜孔隙率高耐蝕性能好的特點[2]避免了傳統草酸陽極氧化工藝中草酸電解液電解性能差外加電壓高能耗成本高的問題和鉻酸陽極氧化工藝中六價鉻離子對環境污染大的問題通過比較經不同工藝處理的鋁合金粘接副拉伸剪切性能和濕熱耐久性能進行微觀形貌觀察和能譜分析對磷酸–硫酸陽極氧化的成膜特點及電解液主要成分的作用進行了研究和分析解釋了磷–硫酸陽極氧化處理提高2A50表面粘接性能的原因

1 實驗

1.1材料及試劑

試驗材料為鋁合金2A50膠粘劑為TS802高強度結構膠化學試劑包括磷酸硫酸草酸甘油硅酸鈉氫氧化鈉碳酸鈉磷酸鈉丙酮等

1.2處理方法

1.2.1預處理

陽極氧化前先對鋁合金進行一系列預處理包括有機溶劑除油化學清洗堿蝕和酸洗出光以除去吸附在鋁合金表面的雜質和污物保證陽極氧化的質量有機溶劑除油的設備為KQ218超聲波清洗機使用丙酮試劑超聲波清洗20min再用去離子水清洗1min化學清洗采用由25g/L磷酸鈉10g/L碳酸鈉和3g/L氫氧化鈉組成的清洗液在60°C下清洗3min堿蝕采用25g/L氧化鈉溶液在常溫下浸蝕30s再用去離子水沖洗30s酸洗出光采用體積分數為25%的硫酸在常溫下浸泡5min再用去離子水沖洗30s

1.2.2陽極氧化

陽極氧化是將鋁合金作陽極置于相應電解液中在特定工藝條件下利用電解的原理在鋁合金表面生成氧化膜層的過程陽極氧化電解液組成與工藝為磷酸70g/L硫酸50g/L草酸7g/L甘油20g/L電解溫度22±2°C電壓20V時間35min陽極氧化后用去離子水沖洗1min再用50°C的熱風烘干

1.2.3噴砂處理

采用吸入式噴砂機對鋁合金試片表面進行噴砂噴砂磨料為剛玉砂主要成分為Al2O3具體工藝參數為噴管直徑10mm空氣壓力0.3MPa噴砂角度60°噴砂距離100mm噴砂時間30s

1.3粘接方法

膠粘劑選用TS802雙組分環氧樹脂按照組分VA∶VB=1∶1取膠通過機械攪拌使各組分均勻分散涂膠采用刷涂法在粘接位置施加0.1MPa的壓力室溫下8h固化

1.4性能測試

1.4.1拉伸剪切強度

按GB/T7124–1986測試拉伸剪切強度試樣尺寸見圖1采用CMT4303型微機控制電子萬能試驗機深圳新三思材料檢測有限公司拉伸速度為5mm/min

1.4.2粘接接頭耐久性能

按ASTMD3762測試粘接接頭的耐久性能試樣的尺寸見圖2

試樣在室溫環境放置12h裂紋擴展平衡后記錄初始裂紋長度α0將試樣暴露在YWX/Q-150型試驗箱上海邁捷儀器有限公司內進行濕熱試驗參數設定為pH6.5~7.2試驗箱工作室溫度50°C相對濕度90%記錄濕熱試驗不同時間后的裂紋擴展長度α0+Δα如圖3所示

1.5形貌及組成

采用芬蘭FEI公司生產的NovaNanoSEM650場發射電子顯微鏡觀察陽極氧化膜層噴砂處理的表面粘接界面和粘接破壞界面并采用其附帶的能譜儀分析膜層成分

2 結果與討論

2.1不同處理方法對拉伸剪切性能的影響

對未經處理噴砂處理和陽極氧化處理的鋁合金試片粘接副進行拉伸剪切強度測試結果見表1

從表1可以看出未經處理的粘接副抗拉伸剪切性能不是很好這是因為鋁合金試片暴露于空氣中時其表面自然氧化生成的氧化膜非常薄且易破損另外未經處理的鋁合金試片表面較為平整表面能不高因此其粘接強度較弱

與未經處理的試片相比經噴砂處理的試片粘接副拉伸剪切強度略有提高圖4a為鋁合金2A50噴砂后的表面形貌可以看出噴砂使鋁合金表面形成許多下陷的溝壑一方面增大了粘接面積另一方面還可以和膠粘劑形成一定的機械嵌合且噴砂處理還起到去除油污和薄氧化膜的作用但對于膠粘劑分子而言噴砂表面仍屬于平整表面其促進金屬與粘接劑結合的作用還不夠理想鋁和空氣中氧的親和力又較強極易發生化合反應而再次在其表面生成一層影響粘接性能的2~3nm厚的無孔非晶態Al2O3[3]

2.2不同處理方法對粘接耐久性能的影響

經噴砂處理和陽極氧化處理的鋁合金粘接副粘接耐久性能測試結果見表2根據表2可以繪制出如圖10所示的不同時間的裂紋擴展長度曲線從圖10可知隨時間延長裂紋擴展趨于平緩大約在4h左右裂紋擴展基本達到最大值其后續變化不大噴砂

處理的初始裂紋即t=0時的α和裂紋擴展長度比陽極氧化的都要大說明噴砂處理的粘接副耐濕熱性能不佳從表2還可知隨裂紋擴展粘接副的斷裂能不斷降低最后穩定在某一門檻值上反映了粘接副發生斷裂所需能量經陽極氧化處理的鋁合金粘接副的門檻值比噴砂處理大3.5倍說明其耐久性能更好不易發生開裂

由于膠粘劑進入陽極氧化膜表面孔洞后一方面使膠粘劑同鋁合金表面結合的更加緊密不易產生縫隙另一方面水分在滲入界面的過程中受膠粘劑固化后形成的柱狀體結構阻擋需從柱狀體之間孔與孔的間隙繞行增加了滲透的路徑這有利于阻止水分向粘接界面滲入如圖12所示

因此陽極氧化粘接副具有良好的耐濕熱性能

3 結論

1鋁合金2A50經過由磷酸和硫酸組成的電解液陽極氧化處理后表面粘接性能得到很大改善其粘接副的拉伸剪切強度達到未經處理的和經噴砂處理鋁合金粘接副的2倍以上破壞界面呈明顯的混合破壞形貌同時該處理工藝使粘接接頭耐久性能得到改善與噴砂處理相比提高了3.5倍

2經磷酸–硫酸陽極氧化后鋁合金表面生成大量直徑為40~50nm的微孔孔密度約為200個/μm2經理論計算得出孔隙率應在25%~40%之間利用圖形處理軟件處理后得出其孔隙率為35.8%磷酸-硫酸陽極氧化綜合了硫酸成膜孔洞致密和磷酸成膜孔徑較大的特點所得膜層的孔隙率得到提高