AZ 91D鎂合金化學鍍鎳前處理工藝研究

趙彥彪, 楊培霞, 楊煒婧, 袁偉堅, 安茂忠

(哈爾濱工業大學化工學院,黑龍江哈爾濱 150001）

AZ 91D鎂合金化學鍍鎳前處理工藝研究

趙彥彪, 楊培霞, 楊煒婧, 袁偉堅, 安茂忠

(哈爾濱工業大學化工學院,黑龍江哈爾濱 150001）

對AZ 91D鎂合金堿性化學鍍鎳的前處理工藝進行研究,得到了鎂合金一步磷化的前處理工藝,確定了AZ 91D鎂合金磷化液的組成及工藝條件,經一步磷化前處理后即可進行化學鍍鎳。采用掃描電鏡(SEM）、能譜成分分析(EDS）對磷化后的試片的微觀形貌和組成成分進行了分析,并測定了AZ 91D鎂合金及其化學鍍鎳后的 Tafel曲線,以此評價鍍層的耐蝕性能。結果表明:在一步磷化前處理工藝后直接進行堿性化學鍍鎳可得到外觀較佳,且耐蝕性良好的Ni-P合金鍍層。

鎂合金;化學鍍鎳;磷化;耐蝕性

0 前言

鎂合金是工程應用中最輕的金屬結構材料,將其應用在工程領域中可極大地減輕結構件的質量。因此鎂合金已成為國防軍事、航空航天、汽車、電子通信等領域的重要材料[1]。鎂的化學性質活潑(25℃下鎂合金的標準電極電位 E0=-2.36 V）,耐蝕性差,因此在使用前一般需要對其進行表面防護處理。在鎂合金表面化學鍍鎳不僅可以顯著提高其耐蝕性和耐磨性,而且能夠在形狀復雜的零件表面得到厚度均勻的鍍層。為了實現鎂合金上化學鍍鎳,必須對其進行特殊的前處理,以除去其表面的氧化物、腐蝕產物以及其他污染物,提高其表面質量,同時形成一定的保護層[2-4]。本實驗在已有的酸洗-活化的前處理工藝基礎上研究了磷化的一步前處理工藝,采用以堿式碳酸鎳為主鹽的化學鍍鎳工藝施鍍,得到了外觀和耐蝕性較佳的鍍層。

1 實驗

1.1 實驗材料

本實驗所采用的基體材料為AZ 91D鎂合金,其化學組成為:Al 8.5%～9.5%,Zn 0.45%～0.90%,Mn 0.17%～0.40%,Si≤0.05%,Fe≤0.004%,Cu≤0.025%,Ni≤0.001%,Mg余量。試樣尺寸為40 mm×20 mm×2 mm。

1.2 工藝流程

1.3 主要工序說明

(1）機械預處理

鎂合金經100#砂紙和1 000#砂紙打磨,使其表面平整、光亮。

(2）丙酮超聲波脫脂

在室溫下,在丙酮中超聲波清洗10～15 min。(3）堿性除油

氫氧化鈉 50 g/L,十二水磷酸鈉 10 g/L,(60±5） ℃,8～10 min。

(4）磷化

磷酸20～40 g/L,磷酸二氫鋅1～3 g/L,六次甲基四胺0.1 g/L,硝酸鈉0.2 g/L,室溫,20～60 s。

(5）堿性鍍鎳

堿式碳酸鎳10 g/L,氫氟酸12 mL/L,氟化氫銨10 g/L,氨水30 mL/L,次磷酸鈉20 g/L,檸檬酸5 g/L,硫脲1 mg/L,pH值(6.5±1.0）,(80±2） ℃,20～40 min。

1.4 測試方法

(1）采用外觀打分的方式來表征鍍層的質量。(2）采用帶EDAX能譜儀的FEI-Sirion型(飛利浦,荷蘭）掃描電子顯微鏡觀測前處理后的試片的微觀結構及元素組成。(3）采用CHI 630型電化學綜合測試系統,以甘汞電極為參比電極,鉑電極為輔助電極,待測試樣為工作電極,掃描速率1 mV/s,在質量分數為3.5%的NaCl溶液中測試 Tafel曲線。

2 結果和討論

2.1 正交實驗

在大量摸索性實驗的基礎上,采用正交實驗法確定磷化時間、磷酸的質量濃度、磷酸二氫鋅的質量濃度對鍍層效果的影響,確定最佳工藝方案。以鍍層的表面狀態和自腐蝕電流密度為評價指標,進行正交實驗。

正交實驗結果表明各因素對試樣表面狀態的影響為:磷酸二氫鋅的質量濃度＞磷化時間＞磷酸的質量濃度;各因素對自腐蝕電流密度的影響為:磷化時間＞磷酸二氫鋅的質量濃度＞磷酸的質量濃度。對AZ 91D鎂合金進行化學鍍Ni-P鍍層的主要目的是提高其耐蝕性能,所以本實驗優先考慮耐蝕性能。綜合考慮其他因素,最終選擇磷化前處理工藝規范為:磷酸二氫鋅2 g/L,磷酸40 g/L,磷化時間40 s。在此磷化配方下所得的鎂合金基體表面光亮,最終所得鍍層的耐蝕性好,沉積速率高。

2.2 表面形貌及成分分析

由正交實驗可知:磷化時間是影響鍍層最終效果的一個至關重要的因素。本實驗通過SEM測試觀察經不同磷化時間后所得基體的表面形貌,進而分析討論磷化時間對鍍層性能質量的影響規律。圖1為在不同磷化時間下所得鎂合金表面的SEM圖。

圖1 不同磷化時間下所得鎂合金基體表面的SEM圖

由圖1可知:磷化后,在鎂合金基體上形成了由小球形微粒連接而成的網狀結構。磷化的時間不同,其網狀結構及微粒大小不同,隨著磷化時間的延長,磷化層逐漸變得致密、平整;但磷化時間過長,會導致磷化膜的鈍化,使鎳晶體不宜在基體表面生長,從而使鍍層質量下降。

圖2為鎂合金表面磷化膜的EDS能譜圖。

圖2 鎂合金表面磷化膜的能譜圖

由實驗結果可知,磷化膜的主要成分及其質量分數分別為:N 1.46%,O 4.68%,Na 3.03%,Mg 44.74%,Al 1.97%,P 2.99%,Zn 5.29%,Au 35.85%。

金是噴金時所引入的,鎂和鋁是鎂合金基體的主要成分。分析結果表明:磷化膜的主要成分可能是磷酸鹽,實際上就是在鎂合金的表面形成了一種有利于鎳沉積的轉化膜。

綜合以上分析可以認為,鍍層的外觀與磷化后形成的微粒的致密程度有關。得到的磷化膜會隨磷化時間延長而變得更加致密,當到達一定的時間后,繼續延長磷化時間反而不利于隨后的化學鍍鎳過程。同時,隨著磷化時間的延長,化學鍍鎳液的反應越來越劇烈,一定程度上影響了鍍液的性能,從而影響鍍層的性能,鍍液的循環壽命降低。考慮多方面的因素,40 s為最佳磷化時間。

2.3 電化學測試結果分析

采用正交實驗確定的最佳磷化工藝(磷酸40 g/L,磷酸二氫鋅2 g/L,磷化時間40 s）對鎂合金進行磷化處理,然后對其進行堿性化學鍍鎳,所得鍍層平整,耐蝕性能好。圖3為AZ 91D鎂合金基體與其化學鍍Ni-P鍍層后所得的試樣在質量分數為3.5%的NaCl溶液中的極化曲線。

表1為 Tafel曲線的計算機擬合結果。

由圖3及表1可知:經過化學鍍Ni-P鍍層之后,試樣的自腐蝕電位大幅提高,自腐蝕電流密度顯著降低,所以其耐蝕性大大提高。

圖3 施鍍前、后的 Tafel曲線

表1 鎂合金施鍍前后的參數

3 結論

(1）通過正交實驗研究了鎂合金化學鍍鎳的前處理工藝,確定最佳的磷化工藝條件為:磷酸40 g/L,磷酸二氫鋅2 g/L,六次甲基四胺0.1 g/L,硝酸鈉 0.2 g/L,室溫,40 s。

(2）在該前處理工藝的基礎上直接進行堿性化學鍍鎳可得到外觀較佳,且耐蝕性良好的Ni-P合金鍍層。

(3）經電化學測試可知:采用該前處理工藝得到的Ni-P合金鍍層的自腐蝕電位明顯增大,自腐蝕電流密度明顯減小。

[1] Sun S,Liu J,Yan C,et al.Anovel process for electroless nickel plating on anodized magnesium alloy[J].Applied Surface Science,2008,254(16）:5 016-5 022.

[2] 國棟,樊占國,楊中東,等.鎂合金化學鍍中預處理氟化鎂膜的特征與作用[J].中國有色金屬學報,2007,17(5）:789-793.

[3] 郭長春,成旦紅,李科軍.鎂合金直接化學鍍 Ni-P合金工藝[J].電鍍與精飾,2007,29(4）:21-25.

[4] 胡文彬,劉磊,仵亞婷.難鍍基材的化學鍍鎳技術[M].北京:化學工業出版社,2000.

A Study of Pretreatment Process for Electroless Nickel Plating on AZ 91D Magnesium Alloy

ZHAO Yan-biao, YANG Pei-xia, YANG Wei-jing, YUAN Wei-jian, AN Mao-zhong
(School of Chemical Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

The pretreatment process for electroless alkaline Ni plating on AZ 91D magnesium alloy was studied,from which a one-step phosphating pretreatment process was obtained for magnesium alloy.The solution composition and process conditions were determined.After the one-step phosphating pretreatment,electroless nickel plating was ready to be performed.The micro-morphology and composition of the specimen after pre-treatment were analyzed by SEM and EDS.The Tafel curves of the AZ 91D magnesium alloy without and with the Ni-P alloy coating were tested to evaluate the corrosion resistance of the coating.The results show that direct alkaline electroless nickel after one-step phosphating pretreatment can get a Ni-P alloy coating with a better look and a good corrosion resistance.

magnesium alloy;electroless nickel plating;phosphating;corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742(2011）06-0009-03

2010-12-20