車用鎂合金表面硅烷化工藝的優(yōu)化

吳海江 ，朱家樂 ，龔晨 ，鄒利華 ，劉志勇 ，何世杰

（1.邵陽學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽 422000；2.邵陽學(xué)院 高效動力系統(tǒng)智能制造湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽 422000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車的產(chǎn)銷量日益增長而應(yīng)用越來越普及，在全球目光聚焦低碳經(jīng)濟(jì)的主題背景下，借助輕量化途徑實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能減排是富有成效的措施。作為最輕結(jié)構(gòu)材料的鎂合金因具有諸多優(yōu)良性能而在汽車輕量化的進(jìn)程中扮演著重要角色。不過時至今日，由于鎂合金的化學(xué)性質(zhì)活潑、易腐蝕，使得該材料的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用仍有一段距離。因此，研發(fā)鎂合金的腐蝕防護(hù)技術(shù)，從而改善鎂合金的抗腐蝕能力就變得十分有必要。

一直以來，鉻酸鹽鈍化以其工藝簡單、成本低廉是提升鎂合金耐蝕能力有效手段之一。冷人頭痛的是該處理技術(shù)中的六價鉻對環(huán)境和人身心健康造成嚴(yán)重的危害。如今人們的環(huán)境意識越來越濃，環(huán)保壓力越來越大，劇毒的鉻酸鹽鈍化遭受日益嚴(yán)苛的限制使用。因此，開發(fā)環(huán)境友好型鎂合金表面無鉻鈍化技術(shù)來取代鉻酸鹽鈍化技術(shù)，助力汽車的輕量化研發(fā)，是當(dāng)前亟待解決的重要課題。

有機(jī)硅烷化處理工藝是近年來引起科研工作者重點(diǎn)關(guān)注的具有良好應(yīng)用前景的環(huán)境友好型金屬表面防護(hù)工藝，并已經(jīng)在鋼、鍍鋅鋼、鋁合金等金屬基體上獲得了較理想的效果。因此，我們采用正交優(yōu)化試驗(yàn)法研究了AZ31鎂合金表面硅烷化工藝，探討了硅烷成膜各工藝參數(shù)對膜層耐蝕能力的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用材料為AZ31鎂合金，切割成50mm×40mm×2mm大小尺寸的板片狀，并依次經(jīng)過360～1500目的SiC水磨砂紙逐級打磨平整表面并拋光至沒有劃痕→去離子水清洗→沒入丙酮溶液中超聲波清洗5～10min以去除樣品表面油脂→浸入去離子水中超聲波清洗5～10min以清潔樣品→熱堿液中活化處理→去離子水清洗，隨即用熱吹風(fēng)機(jī)吹干，置于干燥器皿中備用。

本試驗(yàn)選取水解時間t1、浸漬時間t2、固化溫度T、固化時間t3等四個成膜工藝參數(shù)，進(jìn)行四因素三水平的正交試驗(yàn)，以分析四個因素的最佳水平。實(shí)驗(yàn)時，將γ-氨丙基三乙氧基硅烷（γ-APS）/無水乙醇/去離子水按5/80/15的體積比混合溶液于pH=9的條件下室溫水解t1時間，然后將預(yù)處理好的鎂合金試樣浸入其中浸漬t2時間，勻速提拉出液面立馬用壓縮氮?dú)獯档魳悠繁砻娓街臍埩粢后w，置于電熱真空干燥箱中進(jìn)行固化處理成膜，固化溫度為T、固化時間為t3。試驗(yàn)選用L9（34）型正交表，每個影響因素設(shè)定三個水平，如表1所示。

表1 L9(34)正交設(shè)計(jì)因素水平表

硅烷膜層耐蝕性能采用中性鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行評價。中性鹽霧試驗(yàn)依據(jù)GB/T10125-2012標(biāo)準(zhǔn)，配置的腐蝕液為50g/LNaCl水溶液，鹽霧室保持35±2℃，pH=6.5～7.2，試樣與垂直方向呈 30°傾角放入鹽霧室中。連續(xù)噴霧24h，取出試樣邊用軟毛刷輕輕拂去表面腐蝕產(chǎn)物邊用去離子水清洗，然后吹干，用帶網(wǎng)格的透明塑料板蒙住試樣表面測定腐蝕面積。

2 結(jié)果與討論

AZ31鎂合金試樣表面硅烷化的正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析表見表2。根據(jù)表2中極差分析結(jié)果可以看出，各種硅烷化因素對AZ31鎂合金基體表面硅烷膜層耐蝕性能的影響主次順序依次為：RA（37.7）＞RB（22.1）＞RD（7.4）＞RC（2.2），即對硅烷膜層的耐蝕性能影響，固化溫度最為顯著，硅烷水解時間的影響次顯著，固化時間的影響次之，而浸漬時間的影響最弱。最佳硅烷化工藝參數(shù)為：A2B2C2D2，也就是固化溫度120℃、水解時間2h、浸漬時間60s、固化時間1.0h。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析表

圖1給出了根據(jù)表2中硅烷化工藝參數(shù)對膜層抗鹽霧腐蝕能力影響的正交試驗(yàn)結(jié)果直觀分析圖。根據(jù)圖 1（a）～（d）可以看出，隨著固化溫度的升高，水解時間、浸漬時間和固化時間的延長，硅烷膜的抗鹽霧腐蝕能力均呈現(xiàn)出先下降后上升的現(xiàn)象。圖1（a）和（d）給出了加熱固化條件對AZ31鎂合金表面硅烷膜抗鹽霧腐蝕能力的影響。當(dāng)加熱固化溫度較低、固化時間較短時，硅烷膜層脫水縮聚程度不足而形成疏松結(jié)構(gòu)膜層，侵蝕性粒子能夠較輕松穿過硅烷膜層抵達(dá)鎂合金基體表面而進(jìn)行腐蝕，鹽霧試驗(yàn)腐蝕面積較大；隨著固化溫度逐漸上升、固化時間的逐漸增加，硅烷膜層中Si-OH參與的反應(yīng)活性與數(shù)量都大幅增強(qiáng)，從而在鎂合金表面形成了致密的Si-O-Si三維空間網(wǎng)絡(luò)，鹽霧腐蝕面積顯著減少；不過過高的固化溫度和過長的固化時間則會導(dǎo)致硅烷膜的交聯(lián)結(jié)構(gòu)松散，侵蝕性粒子入侵的阻力下降，導(dǎo)致硅烷膜鹽霧腐蝕面積又開始增加。圖1（b）給出了水解時間對AZ31鎂合金表面硅烷膜抗鹽霧腐蝕能力的影響。硅烷的水解是一個動態(tài)平衡的過程。水解時間對硅烷水解而言十分重要，水解時間過短則水解程度不足，Si-OH數(shù)量偏少；水解時間過長，那么硅烷溶液中則因Si-OH大量的縮聚而產(chǎn)生絮凝。一般而言，隨著水解時間的增加，硅烷溶液中的Si-OH數(shù)量先是逐漸增多而后逐漸下降，硅烷膜的鹽霧腐蝕面積先減少后增多。圖1（c）給出了浸漬時間對AZ31鎂合金表面硅烷膜抗鹽霧腐蝕能力的影響。普通的硅烷膜結(jié)構(gòu)主要是單分子膜，無需很長的時間就可以在鎂合金表面吸附形成，浸漬時間增加會減少硅烷膜層鹽霧腐蝕面積，但減少的幅度有限；過長的浸漬時間反而由于縮聚產(chǎn)物的增加會惡化硅烷的成膜過程，從而導(dǎo)致硅烷膜層鹽霧腐蝕面又增加。

圖1 硅烷化工藝參數(shù)對膜層抗鹽霧腐蝕能力的影響

3 結(jié)論

（1）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，影響AZ31鎂合金表面γ-氨丙基三乙氧基硅烷化膜層耐蝕性能的主次順序?yàn)椋汗袒瘻囟龋舅鈺r間＞固化時間＞浸漬時間。

（2）最佳硅烷化工藝參數(shù)為：固化溫度120℃，水解時間2h，浸漬時間60s，固化時間1.0h。