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，必須對其表面進(jìn)行前處理。采用氫氟酸對AZ61鎂合金進(jìn)行鈍化處理，利用X射線(xiàn)衍射儀、渦流測厚儀、金相顯微鏡、掃描電鏡和M273A電化學(xué)測試系統對鈍化處理得到的轉化膜的物相、厚度、表面形貌和耐蝕性進(jìn)行測定。結果表明，氫氟酸處理得到的轉化膜對鎂合金基體有較好的保護作用，符合鍍前處理的要求。

　　鎂合金是目前較輕的金屬結構材料。具有高的比強度、高的剛度，良好的加工性能、電磁屏蔽性好、減震性好、尺寸穩定性、拋光性及鑄造性，同時(shí)具有良好的機加工、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(chē)工業(yè)、電子通訊和軍事工業(yè)中有廣泛的應用前景，被譽(yù)為較理想的電子產(chǎn)品殼體材料和輕型車(chē)輛轉向系統材料[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，嚴重影響了鎂合金的廣泛應用[5-6]。鎂在實(shí)用金屬中電位較負，標準電極電位為-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)轉化、化學(xué)氧化及陽(yáng)極氧化、有機涂層、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用前景。在電鍍鋁前必須對鎂合金進(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化膜，這一轉化膜在鎂合金電鍍鋁前起到暫時(shí)的保護作用，防止鎂合金表面暴露在空氣中氧化，且在電鍍鋁的過(guò)程中易被去除或被鍍層替代，而對轉化膜的機械性能不作過(guò)高要求。本試驗主要對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 試驗部分

　　1.1 試驗所用材料

　　所采用的試驗材料為AZ261鎂合金，各合金元素的質(zhì)量分數分別為：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。

　　1.3 前處理工藝參數及配方

　�。�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)生了轉化，MgO變?yōu)镸g（OH）2。

　�。�4）鈍化。配制不同濃度的HF（體積分數為40％，分析純配制）在室溫下進(jìn)行兩因素三水平全因子試驗，從濃度和時(shí)間兩個(gè)方面來(lái)考慮HF對鈍化膜的影響。工藝參數見(jiàn)表1。

表1 試驗因素水平值

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 轉化膜性能的檢測

　　對前處理后的轉化膜進(jìn)行檢測包括：

　�。�1）物相XRD測試。采用X射線(xiàn)衍射分析前處理后的轉化膜層的結構和物相。

　�。�2）膜厚的測試。采用德國生產(chǎn)的型號為dektrophysik－minitest600BN2的渦流測厚儀對前處理后的轉化膜進(jìn)行厚度的測試。

　�。�3）表面形貌觀(guān)察分析。采用金相顯微鏡及JSM-6700F／INCA－ENERGY型號的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡/能譜儀，對處理后的轉化膜進(jìn)行表面形貌和能譜分析。

　�。�4）耐蝕性能的測試。采用動(dòng)電位極化法研究MgF2轉化膜對鎂合金表面耐腐蝕性能的影響。動(dòng)電位極化測試曲線(xiàn)的測試單元為M273A系統。電化學(xué)測量系統采用三電極體系，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。試驗在室溫（25℃左右）下將試樣放在w（NaCl）＝3.5％的水溶液中穩定30 min左右，開(kāi)始極化測試，以10 mV／s的掃描速度進(jìn)行測試。

　　2 試驗結果與分析

　　2.1 XRD測試結果

　　通過(guò)氟化處理之后的AZ61鎂合金，經(jīng)過(guò)XRD測試所得結果如圖1所示，主要成分為Mg和MgF2。說(shuō)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化膜。

圖1 XRD測試結果 

　　2.2 膜厚測試結果

　　由表2可看出2＃、9＃、3＃、7＃試樣經(jīng)前處理得到的氟化鎂轉化膜相對較厚，而4＃、6＃、1＃得到的轉化膜相對較薄。

　　2.3 處理后試樣形貌觀(guān)察分析

　　采用JSM－6700F／INCA－ENERGY型號的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡及金相顯微鏡，對前處理后的轉化膜進(jìn)行表面電鏡觀(guān)察和斷面形貌觀(guān)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，“團簇”狀氧化物覆蓋較少；而較差試樣表面有較多的“團簇”狀氧化物覆蓋。這說(shuō)明經(jīng)氫氟酸處理后得到的較好的氟化鎂轉化膜具有較好的抗氧化性，對電鍍鋁前的鎂合金表面有較好的保護作用，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，對于長(cháng)時(shí)間防護效果會(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(cháng)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 樣品膜厚測試結果

編號	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為氟化鎂膜層，Ⅲ為鎂合金基體�？梢悦黠@看出，用低濃度氫氟酸處理時(shí)，鎂合金基體腐蝕較嚴重，表面呈鋸齒狀，表現出腐蝕特性。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，表現出鈍化特性，符合前處理的要求。

　　2.4 耐蝕性能的測試

　　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(shuō)明氫氟酸處理所得到的MgF2轉化膜提高了鎂合金在NaCl溶液中的穩定性，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(shuō)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轉化膜，替代了基體表面的氧化膜層，由于氟的電負性較強，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	測值1	測值2	測值3	平均值	標準差
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

5083船用鋁板作船板優(yōu)勢
5083鋁合金是高鎂合金,在不可熱處理合金中強度良好，耐蝕性、可切削性良好。陽(yáng)極化處理后表面美觀(guān)。電弧焊性能良好。5083合金中的主要合金元素為鎂，具有良好的抗蝕性與可焊接性能，以及中等強度。優(yōu)良的抗腐蝕性能使5083合金廣泛用于海事用途如船舶，以及汽車(chē)、飛機焊接件、地鐵輕軌。
5083船用鋁板作船板優(yōu)勢
5083鋁合金是高鎂合金,在不可熱處理合金中強度良好，耐蝕性、可切削性良好。陽(yáng)極化處理后表面美觀(guān)。電弧焊性能良好。5083合金中的主要合金元素為鎂，具有良好的抗蝕性與可焊接性能，以及中等強度。優(yōu)良的抗腐蝕性能使5083合金廣泛用于海事用途如船舶，以及汽車(chē)、飛機焊接件、地鐵輕軌。