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摘 要： 摘要：為了得到適用于AZ91D鎂合金的電鍍前處理工藝，提高鍍層與鎂合金基體的結(jié)合力及鎂合金的耐蝕性，采用正交試驗方法研究了酸洗液中不同組分用量和酸洗時間對試樣表面狀態(tài)的影響，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀分析了活化時間和浸鋅時間對鎂合金
摘要：為了得到適用于AZ91D鎂合金的電鍍前處理工藝，提高鍍層與鎂合金基體的結(jié)合力及鎂合金的耐蝕性，采用正交試驗方法研究了酸洗液中不同組分用量和酸洗時間對試樣表面狀態(tài)的影響，利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀分析了活化時間和浸鋅時間對鎂合金浸鋅后表面形貌及微觀成分，采用稱重法考察了浸鋅不同時段鎂合金的質(zhì)量變化，通過熱震試驗和中性鹽霧試驗研究了浸鋅時間對后續(xù)鍍層性能的影響。結(jié)果表明，AZ91D鎂合金電鍍的最佳前處理工藝為：先采用250g/LCrO3+20mL/L濃硝酸溶液在室溫下酸洗30s，接著用200mL/LH3PO4+100g/LNH4HF2溶液在室溫下活化60s，再用以ZnSO4·7H2O和K4P2O7·3H2O為主的焦磷酸鹽體系浸鋅液浸漬150s。
關(guān)鍵詞：鎂合金;電鍍;前處理;酸洗;活化;浸鋅
鎂是地球上含量最豐富的元素之一，鎂合金是實際應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，且對環(huán)境無污染。鎂合金擁有較多優(yōu)良的性能，如密度低，抗拉強度和比強度高，減震降噪和電磁屏蔽性能較好，切削加工和拋光性能優(yōu)良，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好等[1-6]。因此，鎂合金壓鑄件被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、電子通信、光學(xué)儀器和計算機制造業(yè)，被譽為“21世紀(jì)綠色工程材料”[7-8]。
然而，鎂合金的化學(xué)性質(zhì)非�；顫�，在各種環(huán)境中的耐蝕性都比較差，這成為了阻礙其應(yīng)用和發(fā)展的一個重要因素[9-10]。為了提高鎂合金的耐蝕性，通常要對其進行表面處理，常用的表面處理方法有化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽極氧化、電鍍、化學(xué)鍍、有機涂層等[11]。其中電鍍不僅能夠較好地增強鎂合金的耐蝕性，而且經(jīng)濟、簡便。但鎂合金特殊的化學(xué)性質(zhì)使其成為了一種難鍍金屬，若直接電鍍，得到的鍍層往往性能非常差，因此電鍍前處理成為了必要步驟，其工藝也是鎂合金鍍層性能的決定性因素，好的前處理工藝能夠令鍍層與鎂合金基體的結(jié)合力優(yōu)良，提高鎂合金的耐蝕性。
本文對AZ91D鎂合金的前處理工藝進行了研究，通過正交試驗優(yōu)化了光亮酸洗工藝，采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對活化時間、浸鋅時間進行分析，通過稱重法對浸鋅不同時段的質(zhì)量變化進行分析，用熱震試驗和鹽霧試驗檢測不同浸鋅時間的鍍層性能，以篩選出一套適用于AZ91D鎂合金電鍍的優(yōu)良前處理工藝方案。
1實驗
1.1材料與儀器
AZ91D鎂合金由福建坤孚股份有限公司提供，線切割成20mm×15mm×8mm的小塊，依次使用400號、800號、1200號和1500號水砂紙打磨，制備成標(biāo)準(zhǔn)試樣。
相關(guān)期刊推薦：《電鍍與涂飾》雜志由廣州市二輕研究所主辦，創(chuàng)刊于1982年，是我國電鍍與涂裝業(yè)知名的技術(shù)期刊之一。介紹本專業(yè)新技術(shù)、新工藝、新材料，發(fā)布國內(nèi)外行業(yè)動態(tài)和資訊，內(nèi)容包括電鍍、化學(xué)鍍、熱浸鍍、真空鍍、涂料與涂裝、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜等金屬與非金屬表面處理等，并就行業(yè)發(fā)展的變化，不定期推出熱點專欄，如“清潔生產(chǎn)”、“輕金屬表面精飾”、“電子電鍍”等。
實驗儀器包括AK-009A型超聲波清洗機(深圳鈺潔清洗設(shè)備有限公司)、HH-11-S型電熱恒溫水浴鍋(上海助藍(lán)儀器科技有限公司)、Nova400Nano型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(美國FEI公司)、INCAIE350PentaFETX-3型X射線能譜儀(英國牛津公司)、SS-L303SPV型可編程線性電源(東莞不凡電子有限公司)、YWX-250型鹽霧試驗箱(南京環(huán)科試驗設(shè)備有限公司)和KF1200型箱式爐(南京博蘊通儀器科技有限公司)。
1.2超聲波清洗和堿洗
超聲波清洗與堿洗是為了除去試樣表面的油污。超聲波清洗條件：無水乙醇，室溫，10min。堿洗工藝條件：NaOH50g/L，Na3PO4·12H2O20g/L，Na2CO320g/L，溫度65°C，10min。
1.3酸洗與活化
酸洗可以在除去試樣表面氧化物的同時形成一些微腐蝕點，以加強基體與鍍層的結(jié)合力。本文選擇CrO3+HNO3酸洗體系，因為它具有效果好、反應(yīng)適中、易控制等優(yōu)點，但各組分的用量以及酸洗時間均需要通過實驗來確定。采用如表1所示的正交試驗來分析不同酸洗工藝對試樣表面狀態(tài)的影響，實驗均在室溫下進行。
活化可以拉平AZ91D鎂合金的表面電勢，同時進一步形成保護膜。本文采用帶F−的活化液，工藝條件為：85%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))H3PO4200mL/L，NH4HF2100g/L，室溫，時間20、40或60s。
1.5性能檢測
根據(jù)GB/T5270–2005《金屬基體上的金屬覆蓋層電沉積和化學(xué)沉積層附著強度試驗方法評述》，采用熱震試驗來檢測不同浸鋅時間后電鍍鎳層的結(jié)合力：將試樣置于200°C下保溫1h，取出后迅速放入水中驟冷，如此循環(huán)5次，觀察鍍層是否有起泡、剝落、脫皮等現(xiàn)象。參照GB/T10125–1997《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》進行48h中性鹽霧試驗，以檢測不同浸鋅時間后電鍍鎳層的耐蝕性。
電鍍鎳的工藝條件為：NiSO4·6H2O280g/L，NiCl2·6H2O40g/L，H3BO340g/L，糖精鈉3g/L，十二烷基硫酸鈉0.2g/L，pH4~5，溫度50°C，時間30min。
2結(jié)果與討論
2.1酸洗
通常鎂合金試樣表面的MgO、Al2O3等氧化物以及堿洗過程中形成的Mg(OH)2在酸洗過程中會溶解。
2.2活化
從圖3和圖4可知：活化時間為20s時，浸鋅150s所得鋅層表面的鋅粒子大小不一，存在較多孔洞，這些孔洞會使得基體表面的電勢分布不均，影響浸鋅層表面的耐蝕性和結(jié)合力，從而影響后期鍍層性能。Zn的原子分?jǐn)?shù)約為70%，Mg的原子分?jǐn)?shù)約為27%，這是因為鎂合金表面的浸鋅層不夠致密，在測試過程中部分X射線穿透浸鋅層而采集到鎂合金基體表面的信息，此時浸鋅層的性能較差�；罨瘯r間為40s時，浸鋅層的孔洞明顯減少，且鋅粒子的大小開始變得較為均一，Zn的原子分?jǐn)?shù)提升為78%，說明浸鋅層性能提高。當(dāng)活化時間為60s時，鎂合金表面的浸鋅層幾乎無孔洞，鋅粒子大小均一，并均勻分布，鎂合金表面Zn的原子分?jǐn)?shù)約為88%，Mg的原子分?jǐn)?shù)約為10%，浸鋅層的性能最佳。故最佳活化時間為60s。
2.3浸鋅
采用稱重法測量試樣經(jīng)歷不同時間浸鋅后鎂合金質(zhì)量的變化∆m，結(jié)果如圖5所示。∆m隨著浸鋅時間的延長而增大，不同時段的增速不同，50~150s時增速較大，∆m增大了0.027g;150s之后增速明顯減緩，150~250s之間只增大了0.008g。這與實驗過程中觀察到的整個浸鋅過程的反應(yīng)劇烈程度吻合，大致能說明150s時鋅膜層已形成并且較致密，故浸鋅后期鎂合金的質(zhì)量變化不大。由于浸鋅過程較復(fù)雜，伴隨著基體的溶解與鋅的附著，更多的內(nèi)在機理有待考究。
由圖6和圖7可知：浸鋅時間為50s時，鋅膜層對鎂合金基體的覆蓋不均勻，有較多地方的鎂合金基體仍清晰可見，EDS顯示鎂合金表面Zn的原子分?jǐn)?shù)僅為45%，Mg的原子分?jǐn)?shù)約為53%，說明鎂合金表面有大部分未被鋅覆蓋，浸鋅效果較差。浸鋅時間為100s時，鎂合金基體只有少部分未被鋅覆蓋，但鋅層較薄，EDS顯示鎂合金表面Zn的原子分?jǐn)?shù)為72%，Mg的原子分?jǐn)?shù)約為26%，這是鋅膜層太薄或者不夠致密所致，浸鋅效果相比50s時有所提升。浸鋅時間為150s時，鎂合金基體完全被鋅膜層覆蓋，鋅膜層均勻地分布在鎂合金基體上，EDS顯示鎂合金表面的Zn的原子分?jǐn)?shù)達到了95%，說明此時鎂合金表面基本被鋅完全覆蓋，浸鋅效果很好。當(dāng)浸鋅時間為200s時，雖然鋅膜層也能夠完全覆蓋住鎂合金基體，但此時鋅膜層太厚，表面掛灰嚴(yán)重，導(dǎo)致后期鍍層的結(jié)合力變差，還令實驗時間延長，影響效率。
從表4可知隨著浸鋅時間的延長，電鍍鎳層的耐蝕性和結(jié)合力都得以提升，浸鋅時間為150s時性能最佳，時間太短或太長都會影響鍍層的耐蝕性和結(jié)合力。
綜合不同浸鋅時間后試樣的質(zhì)量變化、表面成分、表面形貌及后續(xù)鍍鎳層的耐蝕性和結(jié)合力分析可知，時間為150s時浸鋅效果為最佳。
3結(jié)論
(1)正交試驗表明，CrO3−HNO3酸洗體系的酸洗時間和濃硝酸用量對AZ91D鎂合金試樣表面狀態(tài)的影響較明顯，應(yīng)嚴(yán)格控制。最佳酸洗工藝為：室溫下以CrO3250g/L+HNO320mL/L溶液酸洗30s。
(2)活化時間的長短是影響活化效果的決定性因素，在85%H3PO4200mL/L+NH4HF2100g/L溶液中活化60s有利于得到厚度均勻且致密的浸鋅層。
(3)在焦磷酸鹽浸鋅體系中，浸鋅時間也是較關(guān)鍵的因素。浸鋅150s能使鋅膜層完全覆蓋鎂合金基體，且厚度合適，有助于后續(xù)獲得性能較好的電鍍層。——論文作者：常慶明*，張旭，付至祥，洪守坤