镁合金的表面处理

镁合金的表面处理

工艺流程

一般为:清洗(机械清洗和化学清洗主要是去除表面油污)→预处理(主要是活化表面)→表面处理→清洗→封孔处理

光表面处理

激光表面处理是材料表面在高能量激光流的作用下熔化在纳秒范围内脉冲激光产生高达1010/s的冷却速度使金属表面快速凝固在合金表面形成亚稳态结构固溶体使表面合金晶粒细化减少了阴极相的面积从而提高镁合金耐蚀性

通常用作镁合金激光表面处理的金属涂层有:AlCaCuMoNiSiWAl+CuAl+MoAl+NiAl+Si其中耐蚀性最好的是通过Al形成MgAl2O4尖晶石的镁基铝合金。该方法有

1) 激光表面重熔。可以获得均匀细小或非晶的耐蚀性组织提高镁合金的耐蚀性能

2) 激光表面合金化。可以在镁合金表面制备高耐蚀性的合金层

3) 激光熔敷(又称激光涂敷)。即在合金表面涂敷一层耐蚀性的金属涂层提高镁合金的耐蚀性。如纯镁表面激光熔敷Mg-Al合金层改性合金层的组成相为α(Al)β(Mg5Al8)界面上生成共晶层与纯镁相比激光改性层的腐蚀电位正移了约0.7V钝化区间加大耐蚀性能优于纯镁。Mg/SiC复合材料进行表面激光涂敷Cu60Zn40后,涂敷层Cu60Zn40Mg/SiC基体结合良好材料的腐蚀电位(Ecorr)比未处理时提高3.7

相沉积

利用物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和等离子体辅助沉积(IBAD)等技术可以获得具有一定耐蚀性的防护膜层气相沉积涂层材料选择原则有:①可提高电位的元素②可用作牺牲阳极的元素③可形成具有耐蚀性的薄膜(如尖晶石结构)的元素。常用的涂层材料有:AlCrMnVTi此外玻璃搪瓷也可以用于镁合金的防护和装饰

离子注入技术

是将一高能离子在真空条件下加速注入固体表面的方法该方法可以注入任何离子。离子注入的深度与离子的能量和靶的状态有关一般为50500nm。注入的离子在固溶体中处于置换或间隙位置形成非平衡相的均匀组织表面层提高合金的耐蚀性。其优点是可在表面形成新的合金层改变表面状态解决了其他工艺制备的涂层表面与基体的结合强度问题。提高合金的耐蚀性与注入离子的种类有关。如注入耐蚀元素Cr可提高合金的耐蚀性在纯镁表面注入硼可使Mg的开路电位正移200mV扩大钝化区电位范围降低临界钝化电流密度

护膜与涂层处

镁合金表面的保护膜与涂层处理通常采用的方法有:化学转化、阳极氧化、有机涂装与金属镀层保护。是提高镁合金耐蚀性能最常用最有效的方法。涂层方法和防护效果可以根据其服役环境和处理成本进行选择

(1)化学转化膜处理

又叫化学氧化法是使金属工件表面与处理液发生化学反应生成一层保护性钝化膜比自然形成的保护膜有更好的保护效果。同阳极氧化膜相比化学转化膜比较薄(0.53μm)硬度和耐蚀性稍低适用于在特定的环境下的防护如运输和储存过程中镁的防护、镁合金机械加工表面后的长期防护。该工艺具有设备简单、投资少、处理成本低等优点。但是在恶劣环境下工作的镁合金部件化学转化处理必须和其他保护方法联合使用

镁合金的化学转化膜处理常用的成膜剂有铬酸盐成膜剂和磷酸盐成膜剂两大类

常用镁合金化学转化膜处理方法及特点

名称

化学处理液组成

特点

膜的主要组成和厚度

铬化处理

重铬酸钠(Na2Cr2O7·2H2O)120180g/L

氟化钙(CaF2)或氟化镁(MgF2)2.5g/L

水∶余量

所有镁合金的涂装底层室内储存、中性环境中独立保护

铬酸盐和Mg(OH)2

811μm

-锰处理

重铬酸钠(Na2Cr2O7·2H2O)100g/L

硫酸锰(MnSO4·2H2O)50g/L

水∶余量

镁锌合金的涂装底层

铬酸盐25μm

硝酸铁处理

铬酐(CrO3)180g/L

硝酸铁[Fe(NO3)3·9H2O]:40g/L

KF3.5g/L

H2O:余量

所有镁合金的涂装底层室内存放或中性环境保护

铬酸盐0.55μm

磷化处理

磷酸铵(NH4H2PO4)100g/L

高锰酸钾(KMnO4)20g/L

磷酸(H3PO4):调溶液pH值为3.5

所有镁合金的涂装底层

Mg3(PO4)2AlMn

磷化物16μm

锡酸盐处理

氢氧化钠(NaOH)9.95g/L

锡酸钾(K2SnO3·H2O)49.87g/L

乙酸钠(NaC2H3O2·H2O)9.95g/L

焦磷酸钠(Na4P2O7)49.87g/L

所有镁合金的涂装底层

MgSnO3Mg(OH)2

25μm

 

(2)阳极氧化处理

其工艺根据氧化处理液的成分分为酸性氧化液和碱性氧化液两种类型。主要以磷酸盐、高锰酸盐、可溶性硅酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氧化物为主的阳极氧化具体工艺参数如下表

阳极氧化处理比大多数化学转化处理的成本高主要用在一些特殊性能要求的场合如耐磨或苛刻条件下的涂装前处理。镁合金阳极处理膜中不仅包含了合金元素的氧化膜还包含了溶液中通过热分解沉积到工件表面的其他氧化物B2O3P2O3Al2O3等。其阳极氧化膜具有不同程度的孔隙率、双层结构内层为较薄的致密层外层为较厚的多孔层。因此必须进行着色与封孔处理。着色与封孔用的处理液需根据阳极氧化处理的工艺不同而不同

 

护膜与涂层处

镁合金阳极氧化处理的主要工艺参数

阳极氧化处理液

组成/g·L-1

处理条件

膜的性质

阳极氧化处理液

组成/g·L-1

处理条件

膜的性质

 

CrO325

H3PO4(85%)50

NH4OH(30%)

160180mL/L

温度:7595

电流密度:16A/cm2

电压:350V(AC)

无光泽的

深绿色

NH4HF2225450

Na2Cr2O7·2H2O

50125

H3PO4(85%)

50110mL/L

温度:7080

电流密度:0.55A/cm2

薄膜 电压:6570V

时间:45min

厚膜 电压:90100V

时间:25min

6

30μm

暗绿色

复合膜

KOH250300

Na2SiO32545

C6H5OH25

温度:7793

电流密度:2032A/cm2

电压:48V

无光泽的

白色软膜

NH4F450

(NH4)2HPO425

温度:2025

电流密度:48100mA/cm2

电压:190V

无光泽的

白色硬膜

KF35

Na3PO435

Al(OH)335

KOH165

K2MnO4

KMnO420

温度:≤20

电流密度:1.52.5A/cm2

薄膜 电压:6570V

时间:710min

厚膜 电压:8090V

时间:6090min(AC)

5

40μm

棕黄色

氧化膜

K2Cr2O725

(NH4)2SO425

pH值:5.5

温度:20℃±1

时间:60min

黑色膜

电流密度:0.82.4mA/cm2

电压密度:1.23.6mA/cm2

 

护膜与涂层处

(3)等离子微弧阳极氧化处理

又称等离子阳极氧化或阳极火花沉积。它是利用电化学方法将材料置于脉冲电场环境的电解质溶液中用高电压大电流在材料表面微孔中产生火花放电斑点在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下原位生长成陶瓷膜层的阳极氧化方法。应用金属有AlMgTiZrNbTa等金属或合金

微弧氧化过程一般认为分4个阶段:第1阶段表面生成氧化膜2阶段氧化膜被击穿并发生等离子微弧放电3阶段氧化进一步向深层渗透4阶段为氧化、熔融凝固平衡阶段。在微弧氧化过程中当电压增大至某一值时镁合金表面微孔中产生火花放电使表面局部温度高达1000℃以上从而使金属表面生成一层陶瓷质的氧化膜其显微硬度在1000HV以上最高可达25003000HV而且氧化时间越长电压越高生成的氧化膜越厚。但电压过高将导致氧化膜大块脱落并在膜表面形成一些小坑降低氧化膜性质

微弧氧化膜与普通氧化膜一样具有两层结构:致密层和疏松层但微弧氧化膜的孔隙小孔隙率低生成的膜与基体结合紧密质地坚硬分布均匀从而有更高的耐蚀性和耐磨性。其工艺比普通阳极氧化更简单成本低效率高而且无污染。由于它具有比普通氧化膜更好的性能又兼有陶瓷喷涂层的优点因而是镁合金阳极氧化的主要发展方向

可根据需要应用微弧氧化技术制备耐蚀膜层、耐磨膜层、装饰膜层、电防护膜层、光学膜层、功能性膜层等应用于航空航天、汽车、机械、化工、电工、医疗、建筑装饰等领域

镁合金常用微弧氧化工艺

电解液体系

电压

/V

电流密度

/A·dm-2

温度

/

时间

/min

膜厚度

/μm

电解液体系

电压

/V

电流密度

/A·dm-2

温度

/

时间

/min

膜厚度

/μm

六偏磷酸盐系

340

210

1530

15

120

30100

偏铝酸盐系

340

15

2040

15

120

20105

硅酸盐系

300

515

1020

1095

磷酸盐与硅

300

210

1530

10100

��磷酸盐系

300

 

1530

10100

酸盐的复合系

 

 

 

 

(4)表面渗层处理

1) 氮化处理。是将氮气解离用高压加速装置把氮离子植入镁合金的表面以提高表面耐蚀性

2) 渗铝处理。是通过化学热处理或其他热扩散方法在镁合金表面形成扩散型的富Al氧化时在镁合金的表面生成致密的Al2O3MgAl2O3从而提高镁合金的表面硬度和耐蚀性、耐磨性

 

(5)金属涂层处理

一般采用电镀、化学镀和喷涂方法制备金属涂层。电镀、化学镀是利用化学还原法或电化学还原法在镁合金表面沉积所需金属元素并与表面的镁形成结合牢固的致密层。但镁合金表面电镀或化学镀比较困难一般采用化学转化镀金属。电镀一般选用CuNi-Cr-Cu涂层

 

(6)溶胶-凝胶法

该技术的反应条件温和(室温或稍高温度、常压)合成手段灵活多样的它制备的金属涂层材料具有耐热、耐蚀及光、电、磁等功能。是开发多功能无机-有机复合膜材料的新的研究方向

 

(7)有机涂层及特殊涂层

是保护镁合金表面常用的方法应用的有机物涂层很多如环氧树脂、乙烯树脂、聚氨酯以及橡胶等。涂装方法有喷涂、浸涂、刷涂、电泳涂或粉末静电涂装。这种防护只能用作短期保护表面涂覆油、油脂、油漆、蜡和沥青等也可作短时保护