鎂合金表面電鍍鋁前處理工藝的研究 船用鋁板
摘要：在鎂合金表面電鍍鋁，必須對(duì)其表面進(jìn)行前處理。采用氫氟酸對(duì)AZ61鎂合金進(jìn)行鈍化處理，利用X射線衍射儀、渦流測(cè)厚儀、金相顯微鏡、掃描電鏡和M273A電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)鈍化處理得到的轉(zhuǎn)化膜的物相、厚度、表面形貌和耐蝕性進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，氫氟酸處理得到的轉(zhuǎn)化膜對(duì)鎂合金基體有較好的保護(hù)作用，符合鍍前處理的要求。
鎂合金是目前較輕的金屬結(jié)構(gòu)材料。具有高的比強(qiáng)度、高的剛度，良好的加工性能、電磁屏蔽性好、減震性好、尺寸穩(wěn)定性、拋光性及鑄造性，同時(shí)具有良好的機(jī)加工、焊接、抗沖擊性能，且抗老化、原料豐富及可再循環(huán)等優(yōu)良的綜合性能。在航空工業(yè)、汽車工業(yè)、電子通訊和軍事工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景，被譽(yù)為較理想的電子產(chǎn)品殼體材料和輕型車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)材料[1-3]。又由于質(zhì)輕和良好的生物相容性，目前已被考慮用于植入人體的生物材料[4]。但其彈性模量低、可塑性差，特別是耐腐蝕性能差，嚴(yán)重影響了鎂合金的廣泛應(yīng)用[5-6]。鎂在實(shí)用金屬中電位較負(fù)，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-2.73 V，易氧化，在空氣中自發(fā)形成一層疏松多孔的氧化膜，在潮濕環(huán)境、酸性及中性介質(zhì)中易受腐蝕，因此對(duì)鎂合金表面進(jìn)行處理以提高其耐蝕能力是十分必要的。鎂合金表面處理方法很多，如化學(xué)轉(zhuǎn)化、化學(xué)氧化及陽(yáng)極氧化、有機(jī)涂層、表面改性、金屬鍍層等處理方法，而在鎂合金表面低溫熔鹽電鍍鋁具有良好的應(yīng)用前景。在電鍍鋁前必須對(duì)鎂合金進(jìn)行前處理，通常是以化學(xué)處理的方法得到適于電鍍鋁的一層轉(zhuǎn)化膜，這一轉(zhuǎn)化膜在鎂合金電鍍鋁前起到暫時(shí)的保護(hù)作用，防止鎂合金表面暴露在空氣中氧化，且在電鍍鋁的過程中易被去除或被鍍層替代，而對(duì)轉(zhuǎn)化膜的機(jī)械性能不作過高要求。本試驗(yàn)主要對(duì)鎂合金電鍍鋁的前處理工藝進(jìn)行研究，以期找到一種在鎂合金表面電鍍鋁的簡(jiǎn)單有效的前處理方法。
1 試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)所用材料
所采用的試驗(yàn)材料為AZ261鎂合金，各合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：w（Al）＝5.0％～7.0％，w（Zn）＝0.8％～1.0％，w（Fe）＜0.01％，w（Si）＜0.01％，w（Cu）＜0.03％，w（Ni）＜0.005％，余量為Mg。
1.2 工藝流程
試樣→打磨→脫脂→水洗→堿洗→水洗→鈍化→水洗→吹干→烘干→檢測(cè)。
1.3 前處理工藝參數(shù)及配方
。1）試樣制備。制各20mm×10 mm×5 mm的AZ61鎂合金試樣，依次用800＃、1200＃、1500＃的水磨砂紙將其表面打磨平滑，然后對(duì)其表面進(jìn)行拋光，以保證所有試樣具有相同的表面粗糙度。
（2）脫脂。打磨好的試樣放至丙酮溶液中超聲清洗5min，脫脂的目的是去除工件表面油污、贓物、拋光膏等，獲得清潔、無(wú)油脂的表面。
。3）堿洗。在70℃～80℃的100 g/L氫氧化鈉水溶液中保持10min，以進(jìn)一步除去樣品表面的油污。在堿性溶液中，鎂的表面氧化膜發(fā)生了轉(zhuǎn)化，MgO變?yōu)镸g（OH）2。
（4）鈍化。配制不同濃度的HF（體積分?jǐn)?shù)為40％，分析純配制）在室溫下進(jìn)行兩因素三水平全因子試驗(yàn)，從濃度和時(shí)間兩個(gè)方面來考慮HF對(duì)鈍化膜的影響。工藝參數(shù)見表1。
表1 試驗(yàn)因素水平值
| 時(shí)間t/min | HF濃度/mL·(100mL)-1 | ||
| 27.5 | 15 | 2.5 | |
| 1 | 1＃ | 4＃ | 7＃ |
| 5 | 2＃ | 5＃ | 8＃ |
| 10 | 3＃ | 6＃ | 9＃ |
1.4 轉(zhuǎn)化膜性能的檢測(cè)
對(duì)前處理后的轉(zhuǎn)化膜進(jìn)行檢測(cè)包括：
。1）物相XRD測(cè)試。采用X射線衍射分析前處理后的轉(zhuǎn)化膜層的結(jié)構(gòu)和物相。
（2）膜厚的測(cè)試。采用德國(guó)生產(chǎn)的型號(hào)為dektrophysik－minitest600BN2的渦流測(cè)厚儀對(duì)前處理后的轉(zhuǎn)化膜進(jìn)行厚度的測(cè)試。
。3）表面形貌觀察分析。采用金相顯微鏡及JSM-6700F／INCA－ENERGY型號(hào)的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡/能譜儀，對(duì)處理后的轉(zhuǎn)化膜進(jìn)行表面形貌和能譜分析。
。4）耐蝕性能的測(cè)試。采用動(dòng)電位極化法研究MgF2轉(zhuǎn)化膜對(duì)鎂合金表面耐腐蝕性能的影響。動(dòng)電位極化測(cè)試曲線的測(cè)試單元為M273A系統(tǒng)。電化學(xué)測(cè)量系統(tǒng)采用三電極體系，以飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，Pt電極為輔助電極，研究試樣為工作電極。試驗(yàn)在室溫（25℃左右）下將試樣放在w（NaCl）＝3.5％的水溶液中穩(wěn)定30 min左右，開始極化測(cè)試，以10 mV／s的掃描速度進(jìn)行測(cè)試。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 XRD測(cè)試結(jié)果
通過氟化處理之后的AZ61鎂合金，經(jīng)過XRD測(cè)試所得結(jié)果如圖1所示，主要成分為Mg和MgF2。說明經(jīng)前處理后，鎂合金表面主要成分為氟化鎂，在鎂合金表面形成了氟化鎂轉(zhuǎn)化膜。
圖1 XRD測(cè)試結(jié)果
2.2 膜厚測(cè)試結(jié)果
由表2可看出2＃、9＃、3＃、7＃試樣經(jīng)前處理得到的氟化鎂轉(zhuǎn)化膜相對(duì)較厚，而4＃、6＃、1＃得到的轉(zhuǎn)化膜相對(duì)較薄。
2.3 處理后試樣形貌觀察分析
采用JSM－6700F／INCA－ENERGY型號(hào)的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及金相顯微鏡，對(duì)前處理后的轉(zhuǎn)化膜進(jìn)行表面電鏡觀察和斷面形貌觀察分析。圖2是氫氟酸處理后試樣的表面掃描形貌，圖3是金相斷面形貌。
從表面掃描形貌圖2上可以看出，處理后的試樣表面均形成了一層氟化鎂膜，但是不同處理參數(shù)所形成的膜的表面形貌有所不同。處理后的試樣放置一段時(shí)間后，較好的試樣表面平整潔凈，“團(tuán)簇”狀氧化物覆蓋較少；而較差試樣表面有較多的“團(tuán)簇”狀氧化物覆蓋。這說明經(jīng)氫氟酸處理后得到的較好的氟化鎂轉(zhuǎn)化膜具有較好的抗氧化性，對(duì)電鍍鋁前的鎂合金表面有較好的保護(hù)作用，符合鍍前處理的要求。圖示形貌是典型的“干枯河床形貌”，裂紋是由于所生成的氟化物放置一段時(shí)間后自然收縮形成的。存在裂縫之后，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間防護(hù)效果會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但由于處理后工件馬上進(jìn)行電鍍，不會(huì)放置較長(zhǎng)時(shí)間，所以影響不大。同時(shí)微小縫隙的存在，在電鍍時(shí)有利于熔鹽浸入，有利于鈍化膜剝落且被替換，將為鋁的電沉積提供便利條件。
表2 樣品膜厚測(cè)試結(jié)果
| 編號(hào) | 1＃ | 2＃ | 3＃ | 4＃ | 5＃ | 6＃ | 7＃ | 8＃ | 9＃ |
| 厚度 | 5.4 | 8.4 | 7.4 | 4.2 | 6.8 | 5 | 7.4 | 6.4 | 7.8 |
圖2 處理后AZ261Mg合金試樣的表面形貌
圖3為鎂合金氟化鎂膜層橫斷面的光學(xué)金相照片。圖中I為鑲嵌料，Ⅱ?yàn)榉V膜層，Ⅲ為鎂合金基體。可以明顯看出，用低濃度氫氟酸處理時(shí)，鎂合金基體腐蝕較嚴(yán)重，表面呈鋸齒狀，表現(xiàn)出腐蝕特性。而高濃度氫氟酸處理時(shí)，腐蝕較輕，膜層較厚且表面較平整，表現(xiàn)出鈍化特性，符合前處理的要求。
2.4 耐蝕性能的測(cè)試
由表3可以看出，處理后各試樣的自腐蝕電位Ecorr明顯高于未處理的AZ61鎂合金的自腐蝕電位，這說明氫氟酸處理所得到的MgF2轉(zhuǎn)化膜提高了鎂合金在NaCl溶液中的穩(wěn)定性，其耐腐蝕能力要優(yōu)于未處理的AZ61鎂合金，其中2＃、9＃、7＃試樣的自腐蝕電位較高，說明其耐蝕性比其他試樣的好。AZ61鎂合金在NaCl溶液中的腐蝕機(jī)制為：活性Clˉ吸附在試樣的表面膜上，替代了表面膜中的氧，生成可溶性的氯化鎂。而經(jīng)處理得到的MgF2轉(zhuǎn)化膜，替代了基體表面的氧化膜層，由于氟的電負(fù)性較強(qiáng)，較氧更難被氯置換，有效提高了基體的抗蝕能力。
圖3 處理后試樣的斷面形貌
表3 AZ61鎂合金試樣的自耐腐蝕電位
| 試樣 | 測(cè)值1 | 測(cè)值2 | 測(cè)值3 | 平均值 | 標(biāo)準(zhǔn)差 |
| 未處理 | -1.565 | -1.557 | -1.574 | -1.565 | 0.007 |
| 1＃ | -1.006 | -1.034 | -1.012 | -1.017 | 0.012 |
| 2＃ | -0.504 | -0.488 | -0.655 | -0.549 | 0.075 |
| 3＃ | -1.013 | -0.924 | -1.032 | -0.99 | 0.047 |
| 4＃ | -1.008 | -1.007 | -1.009 | -1.008 | 0.001 |
| 5＃ | -0.897 | -1.046 | -0.976 | -0.973 | 0.061 |
| 6＃ | -1.174 | -1.185 | -1.18 | -1.18 | 0.005 |
| 7＃ | -0.821 | -0.817 | -0.812 | -0.817 | 0.005 |
| 8＃ | -1.08 | -1.094 | -1.09 | -1.088 | 0.006 |
| 9＃ | -0.891 | -0.89 | -0.889 | -0.89 |
0.001
|
