鎂合金表面電沉積鎳層工藝及其耐蝕性的研究

嚴(yán) 莉， 初立英， 吳 化， 李雪松

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春130012；2.吉林航空維修有限責(zé)任公司 技術(shù)工程部，吉林 吉林132102）

0 前言

鎂及其合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的金屬之一［1-3］。鎂具有密度低、比強(qiáng)度和比剛度高、減振性好、電磁屏蔽性能優(yōu)異、切削加工性和熱成形性好等特點(diǎn)，在移動(dòng)通信、手提計(jì)算機(jī)、汽車(chē)、電子電器、航空航天、國(guó)防、交通等領(lǐng)域中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景［4-6］。然而，耐蝕性差卻成為制約其發(fā)揮性能優(yōu)勢(shì)的主要因素之一。

本文主要通過(guò)調(diào)整鎂合金的前處理工藝，在鎂合金表面獲得均勻、致密的電沉積鎳層。采用浸鋅工藝取代常規(guī)的氰化物預(yù)鍍銅。最后，通過(guò)改變電鍍鎳溶液中的添加劑等工藝參數(shù)，研究了鍍鎳層的耐蝕性。鎂合金經(jīng)過(guò)氟化、浸鋅、電鍍鎳后，基體與鎳層的電位差減小。結(jié)果表明：在此工藝條件下得到的鎳層具有良好的結(jié)合力和較好的耐蝕性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 氟化處理

氟化處理的目的在于進(jìn)一步去除試樣表面的氧化物，并使鎂合金表面產(chǎn)生一層氟化鎂膜。這層氟化鎂膜能有效阻止鍍液對(duì)基質(zhì)金屬的進(jìn)一步腐蝕。本實(shí)驗(yàn)中采用的氟化液為HF（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%），處理時(shí)間為5～10min。

1.2 表面浸鋅

直接電鍍時(shí)由于存在較大的電位差，沉積在鎂合金上的不完整的金屬層會(huì)與鎂合金形成較多的腐蝕原電池，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電化學(xué)腐蝕。在腐蝕部位很難再鍍覆上金屬。浸鋅能在鎂合金上形成一層薄的鋅層，降低施鍍時(shí)電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)生。浸鋅液組成及工藝條件為：硫酸鋅30g／L，焦磷酸鈉120g／L，碳酸鈉5g／L，氟化鈉3g／L，pH值10.2～10.4，80～85℃，5～15min。

1.3 電沉積鎳層

在經(jīng)過(guò)氟化處理及浸鋅的工件表面電沉積鎳層。鍍液組成及工藝條件為：硫酸鎳280g／L，氯化鎳45g／L，硼酸40g／L，十二烷基硫酸鈉0.1～0.2 g／L，1，4-丁炔二醇0.2～0.3g／L，糖精1～3g／L，pH值4～5，1～6A／dm2，45～55℃。鎂合金表面前處理及電鍍流程為：預(yù)磨試樣堿洗水洗酸洗水洗氟化處理水洗浸鋅水洗電鍍鎳水洗烘干。試樣尺寸為30mm×30mm×5mm。

1.4 鍍層性能檢測(cè)

利用D／Max 2500型X射線衍射儀（XRD）和VG ESCALAB MK II型多功能電子能譜儀（XPS）對(duì)鍍層的物相進(jìn)行分析。采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察鍍層的表面形貌。采用蘭科9805型電化學(xué)工作站測(cè)試表面鎳層的電化學(xué)腐蝕性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面形貌分析

圖1為鎂合金各處理層的表面形貌。由圖1（b）可知：對(duì)鎂合金進(jìn)行氟化處理，得到耐蝕性好的保護(hù)膜。氟化膜又是一層轉(zhuǎn)化膜，這層轉(zhuǎn)化膜在基體浸鋅前起到暫時(shí)的保護(hù)作用，不發(fā)生氧化反應(yīng)。同時(shí)在浸鋅過(guò)程中又能被很好地去除，并能保護(hù)基體在浸鋅液中不被優(yōu)先腐蝕。通過(guò)浸鋅液的強(qiáng)堿性將鎂合金表面的氧化膜溶解除去，同時(shí)使鋅離子與露出的鎂表面發(fā)生置換反應(yīng)，沉積上一層鋅，保護(hù)鎂表面不被重新氧化［7-8］，可在基體金屬鎂與后續(xù)鍍層之間形成合金層，起到與后續(xù)鍍層緊密結(jié)合的作用［見(jiàn)圖1（c）］。由圖1（d）可以看出：鎳金屬層較為均勻、細(xì)致，且在合金表面覆蓋完整。因此，它能起到很好的保護(hù)作用，大大地提高了合金材料在氯化鈉溶液中的耐蝕性。

圖1 鎂合金各處理層的表面形貌

2.2 相結(jié)構(gòu)分析

圖2為鎂合金各處理層的XRD圖譜。由圖2可知：鎂合金基體主要由Al2Mg和Mg組成；經(jīng)過(guò)氟化處理后，表面形成一層氟化鎂薄膜，結(jié)果顯示MgF2相的存在；經(jīng)過(guò)浸鋅處理后，在氟化膜的基礎(chǔ)上又置換出一層金屬鋅層，主要以單質(zhì)金屬鋅的形式存在；經(jīng)過(guò)電沉積鎳層后，圖譜顯示只有單一的金屬鎳存在。這主要是由于最后形成的金屬鎳層較為完整、均勻，起到了完整的覆蓋作用［9-10］。

圖2 鎂合金各處理層的XRD圖譜

2.3 電化學(xué)腐蝕性能分析

圖3為鎂合金各處理層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的氯化鈉溶液中的極化曲線。由圖3可知：由于鎂合金的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)很低，在空氣中極易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成的氧化膜多孔，無(wú)保護(hù)作用。故鎂合金極易腐蝕，具有較低的自腐蝕電位和較高的自腐蝕電流密度。而通過(guò)在鎂合金表面進(jìn)行預(yù)處理，合金材料的自腐蝕電位逐漸正移，耐蝕性更好。當(dāng)鎂合金表面形成完整的金屬鎳層時(shí)，合金材料的自腐蝕電位正移較大，體現(xiàn)出很好的耐蝕性，自腐蝕電位達(dá)到-0.88V。因此，通過(guò)在鎂合金表面進(jìn)行合理的預(yù)處理，可以在合金表面形成完整的金屬鎳層，達(dá)到良好的抗腐蝕性能。

圖3 鎂合金各處理層的極化曲線

3 結(jié)論

（1）處理溫度對(duì)浸鋅層的形成具有較大的影響。當(dāng)浸鋅液的溫度低于80℃時(shí)，很難形成完整、具有保護(hù)性的化學(xué)浸鋅層；當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，浸鋅液易揮發(fā)，也會(huì)影響浸鋅效果。實(shí)驗(yàn)得知，在82℃下可以獲得較好的浸鋅層。

（2）AZ 91D鎂合金經(jīng)氟化處理、化學(xué)浸鋅后，采用瓦特鍍液進(jìn)行快速電鍍鎳，可以在鎂合金基體上獲得結(jié)晶均勻細(xì)致、結(jié)合力好的鎳層，較大地提高了其抗腐蝕性能，自腐蝕電位正移到-0.88V。

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