AZ91D鎂合金表面磷酸鋅轉化膜最優工藝及其耐蝕性研究

婁 貴，滕新營，葉志堅，岳建行，馮 赟

（濟南大學材料科學與工程學院，山東 濟南250022）

鎂合金以低密度、高強度質量比、良好的可回收性等優良性能在航空航天、電子、汽車等領域得到了廣泛的應用[1，2]。然而，金屬鎂化學性質較為活性，容易在潮濕和含鹽的大氣中發生腐蝕。因此，提高鎂合金的耐腐蝕性能成為一個重要的課題。近年來，人們主要通過兩種思路來提高鎂合金的耐蝕性能：組分優化和表面處理[3]。組分優化的方法就是降低鎂合金中鐵、銅、鈷等有害元素的含量，提高鋁、鋰、稀土等有益元素含量[4]。相比于組分優化，表面處理是一種更直接有效提高耐性的方法.本論文采用操作簡單、節能環保的磷酸鋅轉化膜工藝來提高鎂合金的耐蝕性。為了獲得耐蝕性最佳的轉化膜制備方案，該論文采用納米氧化鋅作為鋅源，并利用正交試驗設計法進行試驗。

1 實驗過程

在本論文中，AZ91D鎂合金作為制備磷酸鋅涂層的基底材料，尺寸為10mm×30mm×2mm的長方體.將試樣打磨至1200目，其化學成分列于表1中。

表1 AZ91D鎂合金的化學組成成分

實驗流程為：超聲清洗→堿洗→酸洗→磷化膜的制備。在基礎工藝的條件下設計正交試驗，本論文考慮 5個因素 NaNO3，C6H8O7·H2O，NaF，ZnO，H3PO4，每個因素考慮4個水平，因此選用L16(45)正交表安排試驗，16代表總試驗次數。因素的選擇與水平的設計列在表2，正交表的設計、實驗結果與極差分析結果如表3所示。

表2 因素和水平的選擇

利用掃描電子顯微鏡觀察轉化膜的微觀形貌。為了研究磷酸鋅轉化膜的耐腐蝕性，使用三電極電化學工作站進行動電位極化測試。用于電化學測試的電解質是質量分數為3.5%的NaCl溶液。

利用Tafel外推法獲得腐蝕電流密度（icorr）和腐蝕電位（Ecorr）。此外，腐蝕速率v（mm/a）可以利用腐蝕電流密度，通過以下面公式[5]計算得到。

表3 L16(45)正交實驗結果及數據分析

2 結果與討論

圖1是16組試驗的宏觀照片，從圖中可以看出，有的轉化膜不能與基體緊密結合，部分或完全脫落，有的轉化膜平整致密。為了更好地研究轉化膜的表面形貌，利用掃面電子顯微鏡對試樣進行了觀測。圖2是16組試驗的微觀結構照片。

從圖2看出，試驗號為1、2、3、4、5、6、7、11、12、14、16的轉化膜存在氣孔與裂紋，然而試驗號8、9、10、13、15的轉化膜均勻致密，有的轉化膜呈現了花狀結構。

為了探究耐蝕性最優的制備工藝，采用三電極電化學工作站對試樣進行了動電位極化測試，以Ecorr為指標進行極差分析，腐蝕電位的值越正表示轉化膜的耐蝕性越優異，通過極差分析結果，可以看出各因素對轉化膜耐蝕性影響程度從大到小依次為：氟化鈉 檸檬酸 硝酸鈉 氧化鋅硝酸。因此最優工藝為：

圖1 試樣的宏觀照片

圖2 試樣的SEM照片

A3B1C4D3E3，記為17號，即1.25g/LNaNO3，2.5 g/L，C6H8O7·H2O，2.5g/L NaF，5.5g/L ZnO，17.5mL/L H3PO4，反應溫度 50°C，反應30min。

通過極差分析得到的最優方案A3B1C4D3E3并不包含在正交表中已經做的16組試驗方案之中，為了驗證該實驗方案的是否為最優方案，按照該方案進行了試驗，并對其進行動電位極化曲線測試，其試驗結果在圖3中展示。相關試驗參數列在表4中。較高的Ecorr和較低的Icorr表明耐腐蝕性更為優異[6]，從表4中看出，其中正交試驗中試驗號為10的試樣耐蝕性最佳，因此根據正交試驗得到的最優生產工藝為A3B2C4D3E1。

表4 極化曲線的實驗數據

圖3 極化曲線

3 結論

本論文以納米氧化鋅作為鋅源，以耐蝕性作為指標探索了在AZ91D鎂合金表面制備鋅系磷化膜的最優工藝，該工藝條件為：1.25g/L NaNO3， 3g/L C6H8O7·H2O， 2.5g/L NaF， 5.5g/L ZnO，12.5mL/L H3PO4，反應溫度 50°C，反應30min。利用動電位極化曲線測試其耐蝕性，腐蝕電流密度為 1.1×10-5A·cm-2腐蝕電位為-1.04V，腐蝕速度為0.25 mm·a-1，AZ91D鎂合金的耐蝕性能得到顯著提高。