超輕鎂合金硅烷膜成膜工藝參數(shù)的正交優(yōu)化

尚天馳，吳海江，肖 雨，覃兵東，李傳勝，彭宇濤

（邵陽學(xué)院 機械與能源工程系，湖南 邵陽 422000）

超輕鎂合金硅烷膜成膜工藝參數(shù)的正交優(yōu)化

尚天馳，吳海江，肖 雨，覃兵東，李傳勝，彭宇濤

（邵陽學(xué)院 機械與能源工程系，湖南 邵陽 422000）

依據(jù)點滴試驗結(jié)果，采用正交試驗法研究了固化溫度、固化時間、浸涂時間等成膜因素對LZ91鎂鋰合金表面KH-550硅烷膜耐蝕性能的影響，確定了最佳成膜工藝參數(shù)為：固化溫度100℃、固化時間60min、浸涂時間90s；其中固化溫度對硅烷膜耐蝕性能的影響最大，固化時間的影響次之，浸涂時間的影響最小。

LZ91鎂鋰合金；硅烷膜；正交試驗；耐蝕性能

鎂合金具有密度低、導(dǎo)電能力強、電磁屏蔽性能好、導(dǎo)熱能力強、生物相容性好、減震性好等一系列優(yōu)點，是目前最輕型的結(jié)構(gòu)用金屬材料，在航空航天、汽車制造、生物醫(yī)學(xué)、信息家電等領(lǐng)域有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。尤其是鎂鋰合金的質(zhì)量可媲美塑料殼體，而其強度、剛度更高，在空間飛行器的輕量化制造中具有十分巨大的潛力。不過鎂鋰合金的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，耐蝕性能較差，成為其發(fā)揮潛力的桎梏。提升鎂鋰合金的耐蝕能力行之有效的方法是進行表面涂層處理，常用的方法是鉻酸鹽鈍化處理，但該工藝處理液中含有Cr6+，危害環(huán)境和人身體健康。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強，如歐盟已頒布RoHS 2.0指令（2011/65/EU），全世界正逐步取消和禁止鉻酸鹽鈍化工藝的使用。因此，研究鎂鋰合金表面環(huán)保型無鉻鈍化工藝容不得半點遲疑。

目前研究人員較多使用的處理方法主要有高錳酸鹽轉(zhuǎn)化、鉬酸鹽轉(zhuǎn)化、錫酸鹽轉(zhuǎn)化、稀土金屬鹽轉(zhuǎn)化等。然而這類轉(zhuǎn)化處理工藝獲得的轉(zhuǎn)化膜隨處理時間的延長，膜層厚度在增加的同時亦會產(chǎn)生開裂，耐蝕能力的提升空間有限。于是科研工作者逐漸把目光聚焦在有機物防護方面，其中硅烷化處理工藝無污染，能起到基體金屬與后續(xù)有機涂層的橋梁，發(fā)展前景十分看好。因此，文章借助正交試驗理念，通過簡單化學(xué)浸漬法在鎂鋰合金表面制備了一層硅烷膜，分析了成膜工藝參數(shù)對硅烷膜耐蝕性能的影響，確定了最優(yōu)成膜工藝參數(shù)。

1 試驗材料與方法

試驗基體材料選擇由中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司輕金屬材料研究所提供的擠壓態(tài)LZ91（Mg-9Li-Zn）鎂鋰合金，在線切割機上加工成尺寸為15mm×15mm×15mm。樣品采用360、800、1200、1500目水磨砂紙依次打磨→去離子水洗→放入丙酮溶液中超聲波清洗10min除去油脂→在去離子水中超聲波清洗 5min→堿洗活化（NaOH50g/L+Na2CO315g/L，60℃×15min）→去離子水洗，用電熱吹風(fēng)機吹干、放入干燥器中備用。

試驗所用主要試劑為KH-550硅烷偶聯(lián)劑（分析純，南京聯(lián)硅化工有限公司）、無水乙醇（分析純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司）、乙酸（分析純，湖南匯虹試劑有限公司）、氨水（分析純，湖南匯虹試劑有限公司）、丙酮（分析純，湖南匯虹試劑有限公司）、氫氧化鈉（分析純，湖南匯虹試劑有限公司）、碳酸鈉（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）、高錳酸鉀（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）、濃硝酸（分析純，廣東汕頭市西隴化工廠）；試驗所用主要儀器設(shè)備為ZNCL-S型智能恒溫磁力攪拌器（上海越眾儀器設(shè)備有限公司）、KQ-50E型超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司）、HH.SY11-Ni 1-B型電熱恒溫水浴鍋（北京長源實驗設(shè)備廠）、P-2型金相試樣拋光機（上海光相制樣設(shè)備有限公司）、FA2004型電子分析天平（廈門仲鑫達自動化設(shè)備有限公司）、RO-50A-BX/AG型防滲透去離子純水機（KFLOW科技有限公司）、ZK-82BB型電熱真空干燥箱（上海市實驗儀器總廠）。

硅烷溶液水解工藝參數(shù)為：KH-550/無水乙醇/去離子水=5/80/15（體積比）的混合溶液在pH=9的環(huán)境中于室溫下水解2h。將預(yù)處理完畢放入干燥器中備用的鎂鋰合金試樣浸入水解好的KH-550硅烷溶液中浸漬t1時間，立即取出用壓縮氮氣吹掉基體表面殘留液體，置于電熱真空干燥箱中在固化溫度T和固化時間t2下加熱固化成膜。根據(jù)正交試驗設(shè)計方案，選定固化溫度T、浸涂時間t1和固化時間t2等三個主要成膜影響因素，每個影響因素給定三個水平，不考慮各因素之間的交互作用，采用3因素3水平的正交表L9（33）進行正交試驗，如表1所示。評價指標(biāo)為試樣的耐點滴腐蝕時間，點滴試驗參照HB 5061-77航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，將0.05g高錳酸鉀+5mL硝酸+95mL去離子水混合溶液滴至待測樣品表面，記錄點滴溶液由紫紅色變?yōu)闊o色的時間，顏色轉(zhuǎn)變時間的長短可以評估試樣的耐蝕性能高低。

表1 L9（33）正交設(shè)計因素水平表

2 結(jié)果與討論

（1）試驗數(shù)據(jù)的直觀分析。圖1表明了3個主要成膜工藝參數(shù)與鎂鋰合金表面硅烷膜耐蝕性能之間的關(guān)系。借助正交試驗的直觀分析過程，可以確定影響硅烷膜成膜的主要因素和次要因素，如圖2所示。從圖2中可以看出，比較3個影響因素的極差值大小，固化溫度這一影響因素的極差值最大，說明固化溫度對硅烷膜耐蝕性能的影響最大，固化時間的影響次之，浸涂時間的影響最小。通過正交試驗確定的最優(yōu)成膜工藝參數(shù)為：A2B2C2，即固化溫度100℃、浸涂時間90s、固化時間60min。

圖1 成膜工藝參數(shù)與硅烷膜耐蝕性的關(guān)系

圖2 各成膜因素對硅烷膜耐蝕性能影響的主次順序圖

（2）固化條件對硅烷膜耐蝕性能的影響。固化實質(zhì)上是加快成膜的過程，由圖1（a）和（c）顯示出，隨固化溫度與固化時間的增加，鎂鋰合金表面硅烷膜的耐蝕能力展現(xiàn)出先上升而后降低的現(xiàn)象。這是因為在固化加熱初始階段，固化溫度和固化時間均不足，致使硅烷膜不能夠充分進行脫水縮聚，所得膜層結(jié)構(gòu)較為多孔疏松，侵蝕性物質(zhì)容易穿透膜層達到基體，表現(xiàn)出試樣的抗點滴腐蝕時間較短；隨著固化溫度不斷上升、固化時間持續(xù)增加，硅烷膜層中硅醇參與化學(xué)反應(yīng)的能力愈來愈強，鎂鋰合金表面的羥基與硅醇、硅醇之間通過化學(xué)鍵充分縮合，在基體金屬表面形成了致密穩(wěn)定的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抗點滴腐蝕能力達到峰值；但當(dāng)固化溫度過高且固化時間過長時，破壞了KH550硅烷膜的交聯(lián)狀態(tài)，可能在鎂鋰合金基體與硅烷膜層之間出現(xiàn)了新的物相，造成硅烷膜的抗點滴腐蝕能力反而變差。

（3）浸涂時間對硅烷膜耐蝕性能的影響。圖1（b）給出了浸涂時間對鎂鋰合金表面硅烷膜耐蝕性能的影響，呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，它在3個成膜因素中影響最小。由圖1（b）可以看出，隨浸涂時間的能力展現(xiàn)出先上升而后下降的現(xiàn)象。這主要是因為硅烷膜具有高度有序性、取向性，為單層分子膜，它在較短的時間內(nèi)就能夠在鎂鋰合金表面吸附成膜，增加浸涂時間對膜厚增加程度有限，很難進一步提升硅烷膜對基體的防護能力；反而浸涂時間過長，可能導(dǎo)致縮聚產(chǎn)物的吸附阻礙硅烷膜的繼續(xù)成膜，削弱了硅烷膜的防護效果。

3 結(jié)語

（1）固化溫度對硅烷膜耐蝕性能的影響最大，固化時間的影響次之，浸涂時間的影響最小。

（2）最優(yōu)成膜工藝參數(shù)為：固化溫度100℃、浸涂時90s、固化時間60min。

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Orthogonal Optimization of Film-forming Process Parameters of Silane film on LZ91 Magnesium Alloy

SHANG Tian-chi，WU Hai-jiang，XIAO Yu，QIN Bing-dong，LI CHUAN-sheng，PENG Yu-tao
（Department of Mechanical and Energy Engineering，Shaoyang University，Shaoyang，Hunan 422000，China）

The effect of factors in forming KH-550 silane film on LZ91D magnesium alloy on its properties were investigated by the orthogonal experiment design combined with drop test.Effects of curing temperature，curing time and immersion time on the properties of silane film were discussed.The silane film had the optimal corrosion resistance when curing temperature was 100℃，curing time was 60 min and immersion time was 90 s.The curing temperature had the greatest influence on the corrosion resistance of silane film，the curing time was the second and the immersion was the weakest.

LZ91 Mg-Li alloy；silane film；orthogonal experiments；anti-corrosion

TG174.4

A

2095-980X（2017）02-0050-02

2017-02-07

湖南省自然科學(xué)基金資助項目（2015JJ2064）；湖南省教育廳資助科研項目（15B213）；邵陽市科技計劃項目（2016FJ07）；湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實驗計劃項目（湘教通［2016］283號）

尚天馳（1994-），男，黑龍江伊春人，大學(xué)本科，主要從事金屬材料腐蝕與防護研究工作。

吳海江（1975-），男，安徽淮南人，博士，副教授，主要從事金屬材料腐蝕與防護研究工作。