鎂合金鋅系磷酸鹽-植酸鹽復合轉化膜耐蝕性的研究

趙立新， 張慶芳， 王 明

（1.牡丹江師范學院物理系，黑龍江牡丹江157400；2.肇源縣第一中學化學組，黑龍江大慶166500）

·化學轉化膜·

鎂合金鋅系磷酸鹽-植酸鹽復合轉化膜耐蝕性的研究

趙立新1， 張慶芳2， 王 明2

（1.牡丹江師范學院物理系，黑龍江牡丹江157400；2.肇源縣第一中學化學組，黑龍江大慶166500）

在AZ91D鎂合金表面制備鋅系磷酸鹽-植酸鹽復合轉化膜。通過硫酸銅點滴試驗、Tafel曲線、交流阻抗譜等方法，研究了轉化膜對鎂合金表面性能的影響。通過正交試驗優選出的最佳工藝參數為：植酸1%（體積分數），氧化鋅10 g／L，磷酸18 m L／L，檸檬酸6 g／L，酒石酸3 g／L，氟化鈉1 g／L，硝酸鋅5 g／L，成膜溫度40℃，成膜時間10 min，p H值2。轉化膜的存在較大程度地改善了AZ91D鎂合金的耐蝕性。

鎂合金；耐蝕性；復合轉化膜

0 前言

鎂的化學性質極為活潑，在自然界中以化合物的形式存在［1］。鎂在空氣中與氧形成一層很薄的氧化膜，但其疏松、多孔，不能起到有效穩定的保護作用［2］。目前人們采用表面處理的方法提高鎂的耐蝕性［3］。其中，化學轉化膜技術成本低、操作簡單，成為當前的主要防護方法之一［4］。植酸體系具有綠色環保、耐蝕性好、顏色可調、膜層平整及與頂層有機涂層的附著力優異等優點，已成為研究熱點。

1 實驗

1.1 實驗方法

實驗材料為AZ91D鎂合金，將其加工成尺寸為20 mm×20 mm×5 mm的試片。前處理工藝流程為：砂紙打磨（200＃～1 000＃）→ 堿性除油 →蒸餾水洗 →酸 洗活化 →蒸 餾水洗 →無水乙醇清洗 →吹風機干燥。

用肉眼觀察轉化膜的顏色、連續性及致密性。膜層表觀等級的評定主要從光亮度、均勻度、覆蓋度，以及是否有鼓泡、起皮和局部腐蝕現象等多方面考慮。

按照《化學轉化膜鋼鐵黑色氧化膜規范和試驗方法》（GB／T 15519—2002），在試片表面滴加質量分數為3%的新鮮硫酸銅溶液，觀察試片表面產生紅色斑點的時間。時間越長，表明轉化膜的耐蝕性越強。

電化學測試所用儀器為上海辰華公司生產的CHI660E型電化學工作站。采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），輔助電極為鉑電極，工作電極為試片（其有效工作面積為1 cm2），腐蝕介質為3.5%的氯化鈉溶液。Tafel曲線測試在室溫下進行。交流阻抗測試的頻率范圍為0.1～100 000 Hz，振幅為0.005 V，靜置時間為2 s。采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察并測試鎂合金基體及膜層的表面形貌及成分。

1.2 轉化液配方

氧化鋅10 g／L，磷酸18 m L／L，檸檬酸6 g／L，酒石酸3 g／L，氟化鈉1 g／L，硝酸鋅5 g／L，植酸0.5%～2.5%，溫度40～60℃，轉化時間20～60 min，p H值1.0～3.0。

1.3 單因素試驗

在最佳工藝方案下，分別選擇溫度、植酸的體積分數、時間和p H值為四個因素，改變其中一個因素，同時保持其他三個因素不變，進行單因素試驗。通過點滴試驗、Tafel曲線及交流阻抗譜，確定各因素對膜層耐蝕性的影響及最佳工藝參數。

1.4 正交試驗

選取各因素中最具代表性的水平組合進行試驗，找出最優的水平組合。經全面考慮，以植酸的體積分數（A）、p H值（B）、溫度（C）、時間（D）為試驗因素，進行四因素三水平的正交試驗。選擇L9（34）正交表進行試驗，如表1和表2所示。在3.5%的氯化鈉溶液中測試轉化膜的耐蝕性，比較自腐蝕電流密度。

表1 正交試驗因素水平表

2 結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 p H值的影響

圖1和圖2分別為不同p H值下所得轉化膜的Tafel曲線和交流阻抗譜。由圖1可知：轉化液的p H值為2.0時，轉化膜的自腐蝕電流密度最小，說明該轉化膜的耐蝕性最好。植酸轉化膜的存在抑制了陽極反應，成膜后化學穩定性提高。另外，轉化膜的阻抗譜由低頻容抗弧組成（見圖2）。低頻容抗弧源于電解質在轉化膜中的擴散作用。一般來說，低頻段的阻抗值可以反映電解質在膜層中擴散的難易程度。其值越大，電解質在膜層孔隙中擴散的難度就越大，說明膜層對基體金屬的防護效果越好。

表2 正交試驗表

圖1 不同p H值下所得轉化膜的Tafel曲線

圖2 不同p H值下所得轉化膜的交流阻抗譜

2.1.2 溫度的影響

溫度升高，不僅可以加速鎂合金的陰陽極反應，還可以提高植酸根與鎂離子的螯合反應速率。圖3和圖4分別為不同溫度下所得轉化膜的Tafel曲線和交流阻抗譜。

圖3 不同溫度下所得轉化膜的Tafel曲線

圖4 不同溫度下所得轉化膜的交流阻抗譜

由圖3可知：與空白鎂合金基體相比，成膜后的鎂合金的自腐蝕電位變大，耐蝕性增強。另外，40℃時所得轉化膜的極化電阻最大，自腐蝕電流密度最小，表明該轉化膜的耐蝕性最好。

2.1.3 時間的影響

圖5和圖6分別為不同時間下所得轉化膜的Tafel曲線和交流阻抗譜。由圖5可知：鎂合金經植酸處理后，自腐蝕電流密度大大降低，說明植酸轉化膜有一定的保護作用；自腐蝕電位升高，說明有鈍化膜生成。成膜時間太短，可能會導致轉化膜不完全；太長，又可能導致轉化膜溶解。兩者都會導致轉化膜的耐蝕性降低。另外，成膜時間為10 min時所得轉化膜的容抗弧半徑最大（見圖6），耐蝕性最好。

2.1.4 植酸的影響

圖7和圖8分別為不同植酸的體積分數下所得轉化膜的Tafel曲線和交流阻抗譜。由圖7可知：自腐蝕電流密度隨植酸的體積分數的增大呈現出先減小后增大的變化規律；當植酸的體積分數為1%時，轉化膜的自腐蝕電流密度最小，極化電阻最大，耐蝕性最好。

圖5 不同時間下所得轉化膜的Tafel曲線

圖6 不同時間下所得轉化膜的交流阻抗譜

圖7 不同植酸的體積分數下所得轉化膜的Tafel曲線

圖8 不同植酸的體積分數下所得轉化膜的交流阻抗譜

2.2 正交試驗

極差分析結果可知：影響轉化膜耐蝕性的因素從大到小依次為D＞B＞A＞C，即時間＞p H值＞植酸的體積分數＞溫度。從正交表中可確定最優水平組合為A2B2C3D3。

2.3 轉化膜的形貌、結構及成分

對最優工藝方案下得到的AZ91D鎂合金植酸體系化學轉化膜進行掃描電子顯微鏡測試，結果如圖9所示。圖9（a）顯示該膜層形貌為“顆粒狀物質重疊堆積”狀，膜層表面較為光滑、平整，存在分布均勻的小顆粒，無碎裂現象，中間白色區域較其他區域顏色淺。圖9（b）顯示該膜層并非單分子層，可見螯合物對基體起到很好的保護作用。看似孔洞的位置其實并非孔洞，而是填充了很多的細小顆粒。該工藝方案下所得膜層克服了傳統化學轉化膜存在裂紋的缺陷，表觀結構致密，均勻性、致密性和完整性都比較理想，使得該膜層對基體起到了比較理想的防護效果。

圖9 植酸體系鎂合金化學轉化膜的掃描電鏡照片

為測試膜層的主要成分，選取一定的區域進行EDS測試。結果表明：Mg、P、O三種元素的質量分數分別為12.43%、11.08%、38.79%。P、O的分布較為均勻，不僅證明了轉化膜是均勻覆蓋的，還證明了耐蝕膜層的主要成分是磷酸鹽。

3 結論

（1）鎂合金表面植酸轉化膜的最佳工藝方案為：氧化鋅10 g／L，磷酸18 m L／L，檸檬酸6 g／L，酒石酸3 g／L，氟化鈉1 g／L，硝酸鋅5 g／L，植酸1%（體積分數），成膜溫度40℃，成膜時間10 min，p H值2。

（2）影響植酸轉化膜耐蝕性的因素從大到小依次為p H值＞時間＞溫度＞濃度。

（3）植酸轉化膜可以明顯提高AZ91D鎂合金的耐蝕性，成膜后的自腐蝕電流密度大大降低。

（4）植酸轉化膜主要由Mg、Zn、O、P和C等5種元素組成，主要組成包括植酸與鎂離子和鋁離子的鰲合物、MgO、Mg（OH）2和ZnO。

［1］ 郭長春，成旦紅，李科軍，等.鎂合金直接化學鍍Ni-P合金工藝［J］.電鍍與精飾，2007，29（4）：23-26.

［2］ 崔秀芳.AZ91D鎂合金植酸轉化膜研究［J］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

［3］ 張永君，嚴川偉，王福會，等.鎂的應用及其腐蝕與防護［J］.材料保護，2002，35（4）：3-5.

［4］ 宋光鈴.鎂合金腐蝕與防護［M］.北京：化學工業出版社，2006.

Investigation on the Corrosion Resistance of Conversion Films Prepared on Magnesium Alloy in Zinc Phosphate-Phytic Acid Solution System

ZHAO Li-xin1， ZHANG Qing-fang2， WANG Ming2
（1.Physics Department，Mudanjiang Normal University，Mudanjiang 157400，China；2.Group of Chemistry，First Middle School of Zhaoyuan Country，Daqing 166500，China）

Conversion films were prepared on AZ91D magnesium alloy surface in zinc phosphatephytic acid solution system.Influences of conversion film on the surface performances of magnesium alloy were investigated by copper sulfate dripping experiment，tafel curve，AC impedance spectroscopy and other methods.The optimum process conditions，which were determined through orthogonal experiment，were as follows：phytic acid volume fraction 1%，zinc oxide 10 g／L，phosphoric acid 18 m L／L，citric acid 6 g／L，tartaric acid 3 g／L，sodium fluoride 1 g／L，zinc nitrate 5 g／L，film formation temperature 40℃，reaction time 10 min and p H value 2.Conversion films can improve the corrosion resistance of AZ91D magnesium alloy.

magnesium alloy；corrosion resistance；conversion film

TG 174 文獻標志碼：A 文章編號：1000-4742（2015）05-0032-04

2013-10-09