發(fā)布時(shí)間：2021-03-18所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
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(yàn)方法研究了酸洗液中不同組分用量和酸洗時(shí)間對(duì)試樣表面狀態(tài)的影響，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀分析了活化時(shí)間和浸鋅時(shí)間對(duì)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(yàn)方法研究了酸洗液中不同組分用量和酸洗時(shí)間對(duì)試樣表面狀態(tài)的影響，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和X射線能譜儀分析了活化時(shí)間和浸鋅時(shí)間對(duì)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(shí)段鎂合金的質(zhì)量變化，通過(guò)熱震試驗(yàn)和中性鹽霧試驗(yàn)研究了浸鋅時(shí)間對(duì)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(shí)際應(yīng)用中最輕的結(jié)構(gòu)材料，且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。鎂合金擁有較多優(yōu)良的性能，如密度低，抗拉強(qiáng)度和比強(qiáng)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(jì)算機(jī)制造業(yè)，被譽(yù)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)非常活潑，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(gè)重要因素[9-10]。為了提高鎂合金的耐蝕性，通常要對(duì)其進(jìn)行表面處理，常用的表面處理方法有化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽(yáng)極氧化、電鍍、化學(xué)鍍、有機(jī)涂層等[11]。其中電鍍不僅能夠較好地增強(qiáng)鎂合金的耐蝕性，而且經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)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(duì)AZ91D鎂合金的前處理工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化了光亮酸洗工藝，采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)對(duì)活化時(shí)間、浸鋅時(shí)間進(jìn)行分析，通過(guò)稱重法對(duì)浸鋅不同時(shí)段的質(zhì)量變化進(jìn)行分析，用熱震試驗(yàn)和鹽霧試驗(yàn)檢測(cè)不同浸鋅時(shí)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(shí)驗(yàn)
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(hào)、800號(hào)、1200號(hào)和1500號(hào)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(guó)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(guó)內(nèi)外行業(yè)動(dòng)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(diǎn)專欄，如“清潔生產(chǎn)”、“輕金屬表面精飾”、“電子電鍍”等。
實(shí)驗(yàn)儀器包括AK-009A型超聲波清洗機(jī)(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(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(美國(guó)FEI公司)、INCAIE350PentaFETX-3型X射線能譜儀(英國(guó)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(yàn)箱(南京環(huán)科試驗(yàn)設(shè)備有限公司)和KF1200型箱式爐(南京博蘊(yùn)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(wú)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(shí)形成一些微腐蝕點(diǎn)，以加強(qiáng)基體與鍍層的結(jié)合力。本文選擇CrO3+HNO3酸洗體系，因?yàn)樗哂行Ч谩⒎磻?yīng)適中、易控制等優(yōu)點(diǎn)，但各組分的用量以及酸洗時(shí)間均需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。采用如表1所示的正交試驗(yàn)來(lái)分析不同酸洗工藝對(duì)試樣表面狀態(tài)的影響，實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。
活化可以拉平AZ91D鎂合金的表面電勢(shì)，同時(shí)進(jìn)一步形成保護(hù)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(shí)間20、40或60s。
1.5性能檢測(cè)
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(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)述》，采用熱震試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)不同浸鋅時(shí)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(yàn)鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行48h中性鹽霧試驗(yàn)，以檢測(cè)不同浸鋅時(shí)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(shí)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(guò)程中形成的Mg(OH)2在酸洗過(guò)程中會(huì)溶解。
2.2活化
從圖3和圖4可知：活化時(shí)間為20s時(shí)，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(huì)使得基體表面的電勢(shì)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?yàn)殒V合金表面的浸鋅層不夠致密，在測(cè)試過(guò)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(shí)浸鋅層的性能較差。活化時(shí)間為40s時(shí)，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(shuō)明浸鋅層性能提高。當(dāng)活化時(shí)間為60s時(shí)，鎂合金表面的浸鋅層幾乎無(wú)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(shí)間為60s。
2.3浸鋅
采用稱重法測(cè)量試樣經(jīng)歷不同時(shí)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(shí)間的延長(zhǎng)而增大，不同時(shí)段的增速不同，50~150s時(shí)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的整個(gè)浸鋅過(guò)程的反應(yīng)劇烈程度吻合，大致能說(shuō)明150s時(shí)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(guò)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(jī)理有待考究。
由圖6和圖7可知：浸鋅時(shí)間為50s時(shí)，鋅膜層對(duì)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(shuō)明鎂合金表面有大部分未被鋅覆蓋，浸鋅效果較差。浸鋅時(shí)間為100s時(shí)，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(shí)有所提升。浸鋅時(shí)間為150s時(shí)，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(dá)到了95%，說(shuō)明此時(shí)鎂合金表面基本被鋅完全覆蓋，浸鋅效果很好。當(dāng)浸鋅時(shí)間為200s時(shí)，雖然鋅膜層也能夠完全覆蓋住鎂合金基體，但此時(shí)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(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，影響效率。
從表4可知隨著浸鋅時(shí)間的延長(zhǎng)，電鍍鎳層的耐蝕性和結(jié)合力都得以提升，浸鋅時(shí)間為150s時(shí)性能最佳，時(shí)間太短或太長(zhǎng)都會(huì)影響鍍層的耐蝕性和結(jié)合力。
綜合不同浸鋅時(shí)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(shí)間為150s時(shí)浸鋅效果為最佳。
3結(jié)論
(1)正交試驗(yàn)表明，CrO3−HNO3酸洗體系的酸洗時(shí)間和濃硝酸用量對(duì)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(shí)間的長(zhǎng)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(shí)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
