AZ91D鎂合金表面磷酸鋅轉(zhuǎn)化膜最優(yōu)工藝及其耐蝕性研究

婁 貴，滕新?tīng)I(yíng)，葉志堅(jiān)，岳建行，馮 赟

（濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250022）

鎂合金以低密度、高強(qiáng)度質(zhì)量比、良好的可回收性等優(yōu)良性能在航空航天、電子、汽車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。然而，金屬鎂化學(xué)性質(zhì)較為活性，容易在潮濕和含鹽的大氣中發(fā)生腐蝕。因此，提高鎂合金的耐腐蝕性能成為一個(gè)重要的課題。近年來(lái)，人們主要通過(guò)兩種思路來(lái)提高鎂合金的耐蝕性能：組分優(yōu)化和表面處理[3]。組分優(yōu)化的方法就是降低鎂合金中鐵、銅、鈷等有害元素的含量，提高鋁、鋰、稀土等有益元素含量[4]。相比于組分優(yōu)化，表面處理是一種更直接有效提高耐性的方法.本論文采用操作簡(jiǎn)單、節(jié)能環(huán)保的磷酸鋅轉(zhuǎn)化膜工藝來(lái)提高鎂合金的耐蝕性。為了獲得耐蝕性最佳的轉(zhuǎn)化膜制備方案，該論文采用納米氧化鋅作為鋅源，并利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在本論文中，AZ91D鎂合金作為制備磷酸鋅涂層的基底材料，尺寸為10mm×30mm×2mm的長(zhǎng)方體.將試樣打磨至1200目，其化學(xué)成分列于表1中。

表1 AZ91D鎂合金的化學(xué)組成成分

實(shí)驗(yàn)流程為：超聲清洗→堿洗→酸洗→磷化膜的制備。在基礎(chǔ)工藝的條件下設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，本論文考慮 5個(gè)因素 NaNO3，C6H8O7·H2O，NaF，ZnO，H3PO4，每個(gè)因素考慮4個(gè)水平，因此選用L16(45)正交表安排試驗(yàn)，16代表總試驗(yàn)次數(shù)。因素的選擇與水平的設(shè)計(jì)列在表2，正交表的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與極差分析結(jié)果如表3所示。

表2 因素和水平的選擇

利用掃描電子顯微鏡觀察轉(zhuǎn)化膜的微觀形貌。為了研究磷酸鋅轉(zhuǎn)化膜的耐腐蝕性，使用三電極電化學(xué)工作站進(jìn)行動(dòng)電位極化測(cè)試。用于電化學(xué)測(cè)試的電解質(zhì)是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液。

利用Tafel外推法獲得腐蝕電流密度（icorr）和腐蝕電位（Ecorr）。此外，腐蝕速率v（mm/a）可以利用腐蝕電流密度，通過(guò)以下面公式[5]計(jì)算得到。

表3 L16(45)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與討論

圖1是16組試驗(yàn)的宏觀照片，從圖中可以看出，有的轉(zhuǎn)化膜不能與基體緊密結(jié)合，部分或完全脫落，有的轉(zhuǎn)化膜平整致密。為了更好地研究轉(zhuǎn)化膜的表面形貌，利用掃面電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行了觀測(cè)。圖2是16組試驗(yàn)的微觀結(jié)構(gòu)照片。

從圖2看出，試驗(yàn)號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、11、12、14、16的轉(zhuǎn)化膜存在氣孔與裂紋，然而試驗(yàn)號(hào)8、9、10、13、15的轉(zhuǎn)化膜均勻致密，有的轉(zhuǎn)化膜呈現(xiàn)了花狀結(jié)構(gòu)。

為了探究耐蝕性最優(yōu)的制備工藝，采用三電極電化學(xué)工作站對(duì)試樣進(jìn)行了動(dòng)電位極化測(cè)試，以Ecorr為指標(biāo)進(jìn)行極差分析，腐蝕電位的值越正表示轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性越優(yōu)異，通過(guò)極差分析結(jié)果，可以看出各因素對(duì)轉(zhuǎn)化膜耐蝕性影響程度從大到小依次為：氟化鈉 檸檬酸 硝酸鈉 氧化鋅硝酸。因此最優(yōu)工藝為：

圖1 試樣的宏觀照片

圖2 試樣的SEM照片

A3B1C4D3E3，記為17號(hào)，即1.25g/LNaNO3，2.5 g/L，C6H8O7·H2O，2.5g/L NaF，5.5g/L ZnO，17.5mL/L H3PO4，反應(yīng)溫度 50°C，反應(yīng)30min。

通過(guò)極差分析得到的最優(yōu)方案A3B1C4D3E3并不包含在正交表中已經(jīng)做的16組試驗(yàn)方案之中，為了驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)方案的是否為最優(yōu)方案，按照該方案進(jìn)行了試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果在圖3中展示。相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)列在表4中。較高的Ecorr和較低的Icorr表明耐腐蝕性更為優(yōu)異[6]，從表4中看出，其中正交試驗(yàn)中試驗(yàn)號(hào)為10的試樣耐蝕性最佳，因此根據(jù)正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)生產(chǎn)工藝為A3B2C4D3E1。

表4 極化曲線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 極化曲線

3 結(jié)論

本論文以納米氧化鋅作為鋅源，以耐蝕性作為指標(biāo)探索了在AZ91D鎂合金表面制備鋅系磷化膜的最優(yōu)工藝，該工藝條件為：1.25g/L NaNO3， 3g/L C6H8O7·H2O， 2.5g/L NaF， 5.5g/L ZnO，12.5mL/L H3PO4，反應(yīng)溫度 50°C，反應(yīng)30min。利用動(dòng)電位極化曲線測(cè)試其耐蝕性，腐蝕電流密度為 1.1×10-5A·cm-2腐蝕電位為-1.04V，腐蝕速度為0.25 mm·a-1，AZ91D鎂合金的耐蝕性能得到顯著提高。