鎂合金低污染化學鍍技術研究

陳曉斌，段海峰

（華南理工大學 廣州學院，廣東 廣州 510800）

1 鎂合金的應用現狀及面臨的問題

鎂是地殼中儲藏量較多的金屬元素之一，僅次于鋁和鐵而居第三位。鎂的化合物占地殼總質量的2.35%；鎂合金減震性好，可承受較大的沖擊震動負荷。鎂還具有優良的吸濕能力、流動性、尺寸穩定性、機械加工性能和電磁干擾屏蔽性能。

鎂合金作為結構材料使用，具有廣闊的前景。然而迄今為止，其應用潛力與現實之間依然存在巨大反差。造成這種現狀的主要原因，就是鎂的腐蝕問題。

由于鎂的化學性質活潑，表現出很差的耐蝕性。雖然在其表面存在自氧化膜，但該膜薄且結構疏松，對基體的保護能力不強，即使在室溫下也會與空氣發生作用，不能適應大多數的使用環境。因此耐蝕性差，成為鎂及其鎂合金廣泛應用的主要障礙之一。

2 鎂合金的防腐蝕技術

為了搞好鎂合金的防護工作，提高鎂合金材料的使用壽命，到目前為止，已經開展了許多研究工作，有控制冶金因素、快速凝固處理和表面處理等，其中以表面處理應用最廣。

表面處理技術，是材料表面改性和新材料制備的重要手段，因其工藝簡單，成本低廉，而在世界范圍內得到了廣泛的應用。鎂合金的表面處理方法很多，如化學轉化、陽極/微弧氧化、離子注入、激光表面處理、電鍍、化學鍍等。

與其他處理方法相比，化學鍍鎳- 磷合金，可使基體材料獲得良好的耐蝕性和耐磨性。同時還具有鍍層厚度均勻、化學穩定性好、表面光潔平整、可操作性強、方法簡單易于控制、可以在形狀復雜的鑄件上得到均勻的鍍層、鍍層的性能可以根據不同的需要進行調節等優點。因此，化學鍍鎳- 磷合金，已成為鎂合金重要的表面處理方法之一。

3 本課題的研究目的和內容

研究目標為通過對現有工藝的鍍前處理進行改進，以低污染與低成本工藝，實現在鎂合金表面外觀優良、耐蝕、耐磨化學鍍層的原位制備。

研究內容為遵照ASTM 相關標準，實現鎂合金的標準化學鍍，以對化學鍍機理的認識為基礎，以化學鍍鍍前處理新技術的開發為突破口，實現鎂合金低污染低成本化學鍍技術的開發。

4 實驗材料及研究方法

4.1 實驗材料

實驗所用材料為壓鑄鎂合金AZ91D，主要化學組成如下表1 所示。

表1 壓鑄鎂合金AZ91D 的主要化學組成(in w t%)

根據實驗需要，制備了兩類試樣：

為減少工藝探索過程中溶液的消耗，一類試樣先加工成30 mm×30 mm×32 mm 的尺寸，并在30 mm×32 mm 的面上緊靠30 mm×30 mm 面的一端鉆孔，經150#~1000#水磨砂紙由粗到細依次打磨，自來水和蒸餾水先后漂洗后與銅導線相連。

另一類試樣先線切割成50 mm×50 mm×2 mm的尺寸，并在50 mm×50 mm 的面上緊靠50 mm×2 mm 面的一端鉆一通孔，經100#~1000#水磨砂紙由粗到細依次打磨，自來水和蒸餾水先后漂洗后，與鋁導線相連，絕緣處理后置于干燥器待用。

實驗中所用電解質全為AR，電解液以一次蒸餾水配置。為降低實驗過程中的偶然誤差，每組實驗的平行樣數目為4個。

4.2 化學鍍施鍍方法

化學鍍工藝流程為：

打磨→水洗→鍍前處理→化學鍍→水洗→吹干。

為突出重點，研究中固定除鍍前處理之外的所有工序，且以Dow 直接化學鍍鎳法所用鍍液及操作條件進行化學鍍施鍍。通過考察施鍍效果，從而對鍍前處理工序進行簡化，擬以更簡單更環保的工序達到更佳或相當的鍍前處理效果。

Dow直接化學鍍鎳法溶液配方：

4.3 性能測試研究方法

（1）電解液pH 值測定方法。按照一定組成和濃度對電解液進行復配后，以pHS-2C 精密級數字式酸度計對電解液的pH 值進行測試。實驗室所用pHS-2C 型pH 計是利用復合電極對被測水溶液中不同的酸度產生直流電位，通過前置阻抗轉換器，把高內阻的直流電位轉變成低內阻的直流電位，輸入到A／D 轉換器，以達到pH 值數字顯示。

應用pHS-2C 型pH 計測量溶液pH 值前，先接上電極桿后，再接通電源，然后選擇測量項為pH 值，再讓儀器預熱10 min。然后，為了降低測量誤差，在測量前須先選好測量溫度并采用兩點標定法，對儀器進行標定，之后方能測量待測溶液pH 值。

（2）化學鍍鍍前處理及施鍍操作以及效果觀察。將試樣以不同的方法進行鍍前處理后，觀察并如實記錄其表面形貌的變化。然后將試樣浸入Dow 直接化學鍍鎳法所用鍍液中，溶液溫度以恒溫水浴鍋控制在75～82 ℃范圍內，施鍍時間控制為4 h。

由于操作溫度較高，溶液蒸發損失較為嚴重，因此施鍍期間需要定期向鍍液中補充蒸餾水。待預設時間結束，將試樣取出，以自來水將試樣沖洗干凈后，以吹風機將其吹干，之后以肉眼觀察化學鍍施鍍效果。對于某些特殊試樣，用金相拋光機對試樣進行打磨，定性研究鍍層的耐磨性、厚度、致密性以及與基體之間的結合狀況等。

（3）微觀結構研究方法。采用Leica 光學顯微鏡，對典型試樣的微觀形貌進行不同放大倍率的觀察。

5 鎂合金化學鍍鍍層微觀結構研究及比較

為從結構角度認識不同化學鍍鍍前處理對施鍍效果的影響，對典型試樣的微觀形貌進行光學顯微鏡（OM）觀察，其結果如圖1 到圖4 所示。

圖1 為01 樣（編號為02 的實驗所對應的試樣，下同）即空白試樣經HF 活化處理之后的結果。

圖2 為02 樣即按照ASTM 標準制備的試樣的情況。

圖3、圖4 分別為03 樣、04 樣表面的化學鍍鍍層的情況。a 和b分別對應50×和500×的放大倍數。

圖1～圖4 典型試樣微觀形貌光學顯微鏡觀察結果圖

由圖1～圖4 可以看出：

（1）所有化學鍍鍍層的主體，都由球狀顆粒堆積而成。不同球狀顆粒之間的擠壓痕跡非常明顯。

（2）由于化學鍍鍍前處理工藝的差異，化學鍍鍍層在微觀結構上存在顯著不同。雖然空白試樣經活化處理之后，也能形成完整鍍層，但該鍍層表層鑲嵌有孤立的球狀或念珠狀鍍粒，因此在微觀尺度上粗糙、不均勻。ASTM 標準試樣的表層，則分布有大量葡萄串狀的組織，導致鍍層的均勻性和光滑度明顯降低。采用新的技術路線進行化學鍍的鍍前處理，所得鍍層在均勻性和粗糙度方面則有顯著改進。

（3）鍍層表面或多或少分布有黑色斑點和微細孔洞。由于鍍前處理的不同，黑斑和孔洞的密度不同。

6 結束語

通過實驗研究，得出如下結論：

（1）采用新的鍍前處理工藝，對試樣進行化學鍍鍍前處理，不僅能促進化學鍍鍍層的順利生長，而且所獲得的鍍層在外觀品質與基體的結合力等方面，也有較大提高。

（2）通常情況下，對經過新的鍍前處理工藝處理過的試樣，進一步進行HF 活化處理，有利于促進隨后的化學鍍施鍍過程，所獲得的鍍層品質也有較大提高。但在某些特殊的鍍前處理工藝條件下，活化處理的作用并不明顯。

（3）所有化學鍍鍍層的主體，都由球狀顆粒堆積而成。由于化學鍍鍍前處理工藝的差異，化學鍍鍍層在微觀結構上存在顯著不同。采用新的技術路線進行化學鍍的鍍前處理，所得鍍層在均勻性和粗糙度方面有顯著改進。

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