鎂合金表面處理技術(shù)的研究進(jìn)展

1、<p>　　鎂合金表面處理技術(shù)的研究進(jìn)展</p><p>　　摘要：主要介紹了鎂合金表面處理技術(shù)，包括表面轉(zhuǎn)化、金屬與陶瓷層、表面調(diào)整等。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：鎂合金;耐腐蝕;表面處理 </p><p>　　中圖分類號(hào)：K826文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p><b>　　引言 </b></p

2、><p>　　鎂合金由于密度較小、消震性能好、承受沖擊載荷能力強(qiáng)、散熱好、比強(qiáng)度較高、比彈性模量大等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、化工、火箭技術(shù)等領(lǐng)域，易腐蝕成為制約鎂合金應(yīng)用的主要因素。鎂合金表面形不成有效的保護(hù)膜及與其他金屬材料接觸時(shí)呈現(xiàn)陽(yáng)極作用是鎂合金腐蝕的主要原因。對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理是防止鎂合金腐蝕簡(jiǎn)單有效的方法，機(jī)體和外界環(huán)境之間利用涂層作為保護(hù)層，致密均勻、附著良好的涂層可起到良好的保護(hù)作用，有效降低鎂合金材料

3、的腐蝕速率。凈化合金成分、減少熔煉過(guò)程的夾雜及避免電偶對(duì)等方法一定程度上可以起到降低鎂合金構(gòu)件腐蝕速率的作用。但表面處理技術(shù)在鎂合金防護(hù)方面更加有效，而且簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。經(jīng)表面處理后，鎂合金基體上可以形成均勻、致密的保護(hù)膜層，該膜層能起到抑制和減緩鎂合金材料腐蝕的作用。目前，常用的鎂合金表面處理技術(shù)有化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、電鍍、化學(xué)鍍、陽(yáng)極氧化以及微弧氧化等。本文概述了鎂合金表面處理技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)各種表面處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。 </

4、p><p><b>　　一、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜 </b></p><p>　　鎂合金的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜包括有機(jī)轉(zhuǎn)化膜和無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化膜，其中又以無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化膜居多。無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化膜有鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜、磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜、稀土金屬鹽轉(zhuǎn)化膜、錫酸鹽轉(zhuǎn)化膜以及高錳酸鉀轉(zhuǎn)化膜等。有機(jī)轉(zhuǎn)化膜有金屬有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化膜，有機(jī)酸轉(zhuǎn)化膜，自組裝單分子膜等。由于鎂合金化學(xué)轉(zhuǎn)化膜薄而軟，鎂合金的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜一般用作底層的涂裝處理和中間防

5、護(hù)工序，很少單獨(dú)使用。 </p><p>　　（一）、無(wú)機(jī)轉(zhuǎn)化膜 </p><p>　　鉻酸鹽轉(zhuǎn)化是目前鎂合金化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)中最為成熟的一種。鉻酸鹽處理可以在鎂合金表面形成鉻基混合氧化物膜層。膜層中鉻以三價(jià)鉻和六價(jià)鉻形式存在，其中三價(jià)鉻作為骨架，而六價(jià)鉻則具有自修復(fù)功能。鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜能夠延緩銹跡出現(xiàn)的時(shí)間，提高涂裝材料的附著性，耐蝕性良好。 </p><p><

6、b>　　1、鉻酸鹽處理 </b></p><p>　　鉻酸鹽處理是一種比較成熟的化學(xué)表面處理方法。鉻酸鹽處理使金屬表面轉(zhuǎn)化成以鉻酸鹽為主的氧化膜。Cr元素以Cr3+和Cr(Ⅵ)形式存在。Cr3+作為骨架，而Cr(Ⅵ)具有自修復(fù)功能，所以該膜具有良好的耐腐蝕性能。美國(guó)的DOW公司開發(fā)了一系列的鎂合金鉻酸鹽轉(zhuǎn)化處理工藝。雖然含鉻轉(zhuǎn)化膜的防腐效果較好，可以在較高溫度的環(huán)境中使用，但其中所含有的Cr(Ⅵ

7、)具有毒性，并且污染環(huán)境，再加上廢液的處理成本高，已逐漸被環(huán)保的無(wú)鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化法所取代。 </p><p>　　2、無(wú)鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理 </p><p>　　無(wú)鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理主要包括:磷酸鹽、錳酸鹽、鉬酸鹽、錫酸鹽、有機(jī)酸鹽、稀土鈍化及復(fù)合轉(zhuǎn)化等方法。磷酸鹽轉(zhuǎn)化處理使用的要廣泛一些。Jiang和Han等研究了通過(guò)磷酸鹽處理液在AZ31D鎂合金基體表面得到了一層Mn3(PO4)2為主的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜

8、。 </p><p>　?。ǘ?、有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化膜 </p><p>　　鎂合金有機(jī)物處理是一種新型無(wú)鉻轉(zhuǎn)化處理工藝，可以不同程度提高鎂合金的耐蝕性。由于其轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性較好，環(huán)境友好，無(wú)毒無(wú)害，原料易得，成本較低等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后研究的熱點(diǎn)。鎂及鎂合金的有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化膜可分為3類，即有機(jī)金屬化合物轉(zhuǎn)化膜，有機(jī)酸化合物轉(zhuǎn)化膜和自組裝單分子膜。 </p><p>　　

9、1、有機(jī)酸化合物轉(zhuǎn)化膜。 </p><p>　　草酸鹽轉(zhuǎn)化膜工藝具有低毒、環(huán)境污染小的特點(diǎn)。蔣永鋒等[18]研究了鎂合金表面草酸鹽轉(zhuǎn)化膜工藝，考察了工藝條件對(duì)草酸鹽轉(zhuǎn)化膜的微觀形貌、結(jié)合力、導(dǎo)電性及抗蝕性的影響。結(jié)果表明，在優(yōu)化工藝條件下，草酸鹽轉(zhuǎn)化膜由均勻細(xì)小、比較致密的顆粒構(gòu)成，附著性好，擦拭實(shí)驗(yàn)超過(guò)50次無(wú)顏色變化；耐腐蝕性好，試樣表面的電阻率小于0.1Ω·cm2，鹽霧實(shí)驗(yàn)超24h表面無(wú)明顯變化，

10、其性能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。 </p><p>　　2、有機(jī)金屬化合物轉(zhuǎn)化膜 </p><p>　　有機(jī)化合物與金屬原子發(fā)生反應(yīng)后能形成復(fù)雜的金屬有機(jī)螯合物，覆蓋在鎂合金基體上的金屬有機(jī)螯合物具有良好的防護(hù)作用，可以顯著提高鎂合金的耐蝕性能。Kakizaki等[17]利用Zn，Al，Sr和Ti等金屬的有機(jī)化合物對(duì)鎂合金基體進(jìn)行表面處理，結(jié)果表明，經(jīng)此溶液處理后金屬基體上形成了有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合膜，該膜

11、層可以提高鎂合金基體的耐蝕性及漆膜附著性。 </p><p>　　3、自組裝單分子膜 </p><p>　　自組裝單分子膜(SAM)是將金屬或金屬氧化物浸入含活性分子的稀溶液中，通過(guò)化學(xué)鍵吸附在基片上形成具有高有序性和取向性、高密度堆積、低缺陷及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的膜層。由于其耐蝕性良好，SAM近年來(lái)已成為界面科學(xué)、材料科學(xué)等許多領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。王燕華等[23]采用自組裝方法，在鎂基體表面制備了一層

12、超疏水硬脂酸分子層，并采用多種測(cè)試技術(shù)對(duì)獲得的超疏水層進(jìn)行了表征和分析。研究表明，經(jīng)過(guò)大約1h的組裝，硬脂酸分子成功的鍵合到鎂基體上，形成了微米-納米尺寸花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)的硬脂酸膜，接觸角也快速增加至154°。電化學(xué)阻抗測(cè)試表明，超疏水膜可以提高鎂基體的電荷傳遞電阻，在一定程度上抑制Mg的局部腐蝕。 </p><p><b>　　二、金屬與陶瓷層 </b></p><

13、p>　　通過(guò)各種不同的方法在鎂合金表面上形成一層其它的金屬層達(dá)到防腐蝕與裝飾的目的。 </p><p><b>　?。ㄒ唬?、氣相沉積 </b></p><p>　　物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)是目前主要的氣相沉積方法。物理氣相沉積法合金化主要用于具有特殊用途零件的處理。另外也可通過(guò)物理氣相沉積法沉積純鎂及其合金，通過(guò)減少合金中雜質(zhì)種類來(lái)減緩腐蝕

14、。Nakatsugawal通過(guò)化學(xué)氣相沉積方法在AZ91鎂合金表面得到的二氧化硅涂層在氯化鈉溶液中浸泡240h后沒有明顯腐蝕點(diǎn)。 </p><p><b>　?。ǘ?、離子濺射 </b></p><p>　　將試樣放置于一抽完真空再加惰性保護(hù)氣氛中，惰性氣體離子在磁電管電場(chǎng)的作用下轟擊由涂層材料構(gòu)成的靶材，被打出的涂層原子濺射到試樣的表面而形成了一層膜層。用這種方法有

15、可能在鎂合金表面上形成一層耐腐蝕的涂層。 </p><p><b>　?。ㄈ釃娡?</b></p><p>　　金屬、陶瓷或高分子涂料以一種熔化或半熔化狀態(tài)，借助焰留本身或壓縮空氣把涂料小液滴噴到基體表面，形成某種噴涂沉積層。通過(guò)在鎂合金上基體上噴涂Al－Si層，可以大大提高鎂合金耐磨性能。有人研究了鎂合金上的鋁熱噴涂層，發(fā)現(xiàn)熱噴涂的鋁層表面粗糙，多孔隙，防腐性

16、能并不理想，但對(duì)鋁層進(jìn)行熱壓，則可有效減少鋁涂層中的空隙，大大提高涂層的耐蝕性。 </p><p><b>　　三、表面調(diào)整 </b></p><p>　　表面調(diào)整的目的主要是改變鎂合金表面層的成分、相組成或結(jié)構(gòu)，使鎂合金表面層的耐蝕性能得到提高，以達(dá)到提高鎂合金耐蝕性的目的。表面調(diào)整方法有:離子注入、激光表面處理和熱擴(kuò)散等。 </p><p>

17、;　?。ㄒ唬?、激光表面合金化 </p><p>　　激光表面合金改性是一種以激光表面熱處理為基礎(chǔ)的新技術(shù)。用于鎂合金耐腐蝕性處理的激光表面改性技術(shù)己有較多研究。A．Kolltsomichalis等人用KrF激光照射打磨過(guò)的Az31BH4鎂合金表面其耐蝕性有較大的提高。文獻(xiàn)［2］介紹的工藝中，先將涂層熱噴涂到基體上，隨后通過(guò)ZKwNd:YAG激光將其熔化。 </p><p><b>

18、;　?。ǘ?、離子注入 </b></p><p>　　離子注入是在高真空狀態(tài)下，在靜電場(chǎng)作用下，經(jīng)加速的高能離子注入材料的內(nèi)部。注入的離子在固溶體中處于置換或間隙位置，形成平衡態(tài)組織的表面層。 </p><p><b>　?。ㄈ?、熱擴(kuò)散 </b></p><p>　　鎂合金與涂層粉末接觸進(jìn)行熱處理而在鎂合金表面獲得涂層的方法即熱擴(kuò)

19、散技術(shù)。shigemastu等人進(jìn)行了鎂合金的Al熱擴(kuò)散涂層處理研究，在惰性氣體氛圍下，用Al粉覆蓋鎂合金后于450℃進(jìn)行熱擴(kuò)散處理，在鎂合金表面形成的Al－Mg金屬間化合物厚度為750μm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)，使用70%Al+30%Zn混合粉末可以有效降低熱擴(kuò)散的處理溫度，并可有效降低合金層內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋的可能性，而鋅也能起到提高合金的硬度和降低腐蝕速度作用。 </p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)

20、 </b></p><p>　　總而言之，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鎂合金的表面處理方法，會(huì)越來(lái)越符合時(shí)代發(fā)展的要求。近來(lái)相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道也越來(lái)越多，因此鎂和鎂合金的應(yīng)用有著相當(dāng)大的發(fā)展空間和良好的發(fā)展前景。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]薛壽昌.鎂合金黑色化學(xué)轉(zhuǎn)化膜工藝[J].電鍍與精飾,20

21、11,33(7):39. </p><p>　　[2]Yue T M ，Wang A H ，Man H C ．Corosion resistanceenhancementofmagnesiumZK60 / SiCcompositebyNd: YAGlaser cladding［J］．ScriptaMaterialia，1999，40( 3) : 303 －310． </p><p>　　[