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，必須對其表面進行前處理。采用氫氟酸對AZ61鎂合金進行鈍化處理，利用X射線衍射儀、渦流測厚儀、金相顯微鏡、掃描電鏡和M273A電化學測試系統(tǒng)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(wěn)定性、拋光性及鑄造性，同時具有良好的機加工、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)、汽車工業(yè)、電子通訊和軍事工業(yè)中有廣泛的應用前景，被譽為較理想的電子產品殼體材料和輕型車輛轉向系統(tǒng)材料[1-3]。又由于質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、酸性及中性介質中易受腐蝕，因此對鎂合金表面進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，如化學轉化、化學氧化及陽極氧化、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行前處理，通常是以化學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高要求。本試驗主要對鎂合金電鍍鋁的前處理工藝進行研究，以期找到一種在鎂合金表面電鍍鋁的簡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，各合金元素的質量分數(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。

　　1.3 前處理工藝參數(shù)及配方

　?。?）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，然后對其表面進行拋光，以保證所有試樣具有相同的表面粗糙度。

　?。?）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、無油脂的表面。

　?。?）堿洗。在70℃～80℃的100 g/L氫氧化鈉水溶液中保持10min，以進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。

　?。?）鈍化。配制不同濃度的HF（體積分數(shù)為40％，分析純配制）在室溫下進行兩因素三水平全因子試驗，從濃度和時間兩個方面來考慮HF對鈍化膜的影響。工藝參數(shù)見表1。

表1 試驗因素水平值

　　　　1.4 轉化膜性能的檢測

　　對前處理后的轉化膜進行檢測包括：

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

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

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

　?。?）耐蝕性能的測試。采用動電位極化法研究MgF2轉化膜對鎂合金表面耐腐蝕性能的影響。動電位極化測試曲線的測試單元為M273A系統(tǒng)。電化學測量系統(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，開始極化測試，以10 mV／s的掃描速度進行測試。

　　2 試驗結果與分析

　　2.1 XRD測試結果

　　通過氟化處理之后的AZ61鎂合金，經過XRD測試所得結果如圖1所示，主要成分為Mg和MgF2。說明經前處理后，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 處理后試樣形貌觀察分析

　　采用JSM－6700F／INCA－ENERGY型號的場發(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。這說明經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間后自然收縮形成的。存在裂縫之后，對于長時間防護效果會產生一定的影響，但由于處理后工件馬上進行電鍍，不會放置較長時間，所以影響不大。同時微小縫隙的存在，在電鍍時有利于熔鹽浸入，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

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。可以明顯看出，用低濃度氫氟酸處理時，鎂合金基體腐蝕較嚴重，表面呈鋸齒狀，表現(xiàn)出腐蝕特性。而高濃度氫氟酸處理時，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