鎂合金表面處理技術的研究進展

王志斌

（中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035）

鎂是繼鋁之后地殼中第三富含金屬元素，是工程應用領域中金屬元件中最輕的連接件。鎂合金的比重小，強度高，剛性強，阻尼性能好，電磁屏蔽性能好，回收可利用率高的特點，對于國防航天、汽車電力、電子產(chǎn)品等領域，有著廣泛的應用前景?，F(xiàn)在已經(jīng)成為應用工程領域的重要材料。被各國專家譽為當今世界上最具潛力和發(fā)展前景的綠色工程材料。

但是鎂合金具有很高的電化學活性，在空氣中特別是在潮濕和沿海地區(qū)易受腐蝕，而且它的韌性低，耐高溫性能差，表面形成的疏松多孔的氧化膜無法有效保護限制了鎂合金的廣泛應用。目前世界各地，特別是在我國，鎂合金的研究迅速發(fā)展，為了提高鎂合金的性能，拓展鎂合金的應用領域，提高鎂合金材料的使用壽命，科學家通過控制鎂合金的組成，提高鎂合金熱力學穩(wěn)定，改變鎂合金基體表面的組成和改變加工工藝等手段，提高鎂合金的使用性能，鎂合金表面處理技術被相繼應用到鎂合金的防護中來。適當?shù)谋砻嫣幚砜梢杂行У靥岣吣透g性，同時保持鎂合金的優(yōu)異性能。一些表面處理技術已經(jīng)成熟，并且因為成本低廉等原因，已經(jīng)進入了實際生產(chǎn)，成為鎂合金生產(chǎn)中的一個重要主體。

1 化學氧化技術

化學轉(zhuǎn)化膜是鎂合金膜化最常用的方式，大體可以分為無機氧化膜和有機氧化膜兩種，其中無機氧化膜又可以分成非鉻轉(zhuǎn)化膜，如磷酸鹽、植物酸、錫酸等，非鉻轉(zhuǎn)化膜是金屬外層電子與介質(zhì)陰離子反應，表面生成的一層不溶性鈍化薄層。這層鈍化膜不僅可以有效的防止腐蝕，也不會影響之后的涂層膜的粘合性。但是鎂合金的化學氧化膜薄、易碎、多孔，只能用于降低腐蝕速度，它的耐腐蝕性有限，耐磨性不足，不利于作為長期的外殼保護。

在化學轉(zhuǎn)化處理中，絡化處理與磷化處理是目前應用最多，技術最為成熟，表面改性中發(fā)展較快的一種技術。但是這兩種處理廢液中含有大量的污染物，這些廢料處理成本高，難度大。因此，研究開發(fā)性能優(yōu)越，無害環(huán)境的轉(zhuǎn)化處理工藝是未來研究的重點[1]。

2 陽極氧化技術

最早的陽極氧化技術出現(xiàn)在二十世紀二十年代，它分為酸性氧化液和堿性氧化液兩種。雖然陽極氧化技術工藝復雜，但是能夠?qū)Υ竺娣e及結(jié)構(gòu)復雜的元件進行處理。陽極氧化膜比化學氧化物膜更厚，與基材相連更加緊密，可以在中等腐蝕環(huán)境中用作保護層。陽極氧化膜具有多孔的特點，著色處理后，它不僅耐腐蝕而且更加美觀。

陽極氧化技術具有生產(chǎn)工藝簡單、一次成膜面積大、生產(chǎn)設備投資少、加工成本低、耐腐蝕、耐磨、硬度高等優(yōu)點。它能為油漆、涂料等有機涂料提供良好的基材，并能利用其多孔結(jié)構(gòu)進行著色處理，滿足裝飾要求。它被認為是最基本的鎂合金之一，最廣泛使用的表面保護方法。它具有與基體金屬結(jié)合力強、電絕緣性好、光學性能優(yōu)良、抗熱震、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點，同時還可根據(jù)需要對陽極氧化膜進行低污染、低成本著色和密封處理。鎂合金陽極氧化膜具有雙層結(jié)構(gòu)：內(nèi)層薄而致密，外層厚而多孔。外層的孔不能穿透內(nèi)層。經(jīng)油漆、染色、密封或鈍化處理后，外孔的耐蝕性進一步提高。陽極氧化技術還可以應用于涂層和其他有機涂層的進一步涂覆，為它們提供良好的基礎，而且還可以滿足航空航天和衛(wèi)星鎂合金光學特性的特殊要求。使用后它的薄膜易于去除，有利于原構(gòu)建的回收利用?，F(xiàn)在人們對陽極氧化技術的氧化液的改進與開發(fā), 膜的組成、結(jié)構(gòu)及其耐蝕性上開展積極研究。

鎂合金的陽極氧化可以通過堿性或酸電解質(zhì)中的直流或交流電流進行，不同的振幅和控制模式對膜的工藝和性能有很大的影響。早期的Dow17和CR-22方法，都是在有毒鉻化合物中進行的。然后逐漸發(fā)展成為磷酸鹽、高錳酸鉀、可溶性硅酸鹽、硫酸鹽的無毒陽極氧化過程，主要處理溶液為氫氧化物和氟化物。陽極氧化的制造工藝比化學氧化工藝復雜，但陽極氧化成膜工藝成膜性能好，更適用于加工形狀復雜、面積大的元件，陽極氧化技術現(xiàn)已成為鎂合金產(chǎn)業(yè)中的常用工藝。

3 微弧氧化技術

微弧氧化技術是在陽極氧化基礎上發(fā)展起來的一種新型表面處理技術。微弧氧化不同于陽極氧化，它是需要在工作區(qū)域施加強電壓。與陽極氧化相比，微弧氧化具有成膜速度快、膜層與基體結(jié)合力強、硬度高、組織致密、耐磨、耐腐蝕、絕緣性好、耐高溫、裝飾性好等優(yōu)點，工藝安全、環(huán)保，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ逆V合金表面改性技術。

微弧氧化成膜過程涉及電化學、熱化學和等離子體化學的相互作用，成膜機理復雜，至今還沒有合理的模型來描述微弧氧化膜的形成。微弧氧化膜具有雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層密度薄，外層厚而多孔，它直接在金屬表面原位生成一層陶瓷膜。根據(jù)控制方法的不同，微弧氧化過程可分為恒壓微弧氧化和恒流微弧氧化。一般采用恒流法，省時、易控制根據(jù)控制。根據(jù)薄膜厚度、耐磨性、耐腐蝕性和耐熱性，電流密度通常在5-40a/DM2范圍內(nèi)。

微弧氧化裝置主要包括微弧氧化電源、壓力控制系統(tǒng)、氧化裝置、循環(huán)冷卻系統(tǒng)等。在微弧氧化過程中，鎂合金陽極和不銹鋼板陰極在試樣表面釋放出大量的熱量。因此，必須要安裝溶液循環(huán)冷卻系統(tǒng)，使溶液溫度保持在一定范圍內(nèi)，并且通過設置正脈沖寬度和負脈沖寬度等參數(shù)來優(yōu)化微弧氧化的性能。微弧氧化的工藝過程通常是：除油→去離子水漂洗→微弧氧化→水洗。一般來說，微弧氧化過程分為四個階段，第一階段是表面生成氧化膜，第二階段是氧化膜的分解并發(fā)生等離子微弧放電，第三階段是進一步氧化的進一步滲透，第四階段是氧化、熔化和凝固。

微弧氧化技術比常見的陽極氧化工藝相比更加簡單，并且微弧氧化膜以其優(yōu)異的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性和裝飾性，廣泛應用于航空航天、機械、汽車、紡織、化工、醫(yī)藥和海洋等領域，另一方面高能耗的特點限制了其在生產(chǎn)實踐中的應用，但是微弧氧化技術依然具有廣闊的應用前景。

4 電鍍

鎂合金的電化學活性很高，鍍液會對鎂合金基體造成腐蝕，鍍液中的陽離子會被鎂所取代，導致鍍層多孔，附著力差。因此，鎂合金必須進行適當?shù)念A處理，傳統(tǒng)處理方法包括浸鋅和直接化學鍍。在保護膜形成后進行電鍍。目前，鎂合金化學鍍鎳的研究較多。結(jié)果表明，合理的前處理工藝應用對于整個化學鍍能否實施，鍍層的質(zhì)量和鍍層與基體間的結(jié)合力等有著非常重要的作用。

鎂合金電鍍電鍍基本流程是:清洗→浸蝕→活化→浸鋅→氰化鍍銅→電鍍。是鎂合金表面電沉積的一層輕質(zhì)合金層，在鎂合金表面具有耐蝕性和導電性。這層電鍍膜提高了鎂合金的硬度、耐擦傷性和耐蝕性。電鍍是一種金屬離子在無外加電源的情況下，將鍍液中的金屬離子還原為基底金屬，由金屬本身所帶的電離子進行反應，在其表面形成一層保護膜。

鎂合金電鍍工藝已進入實際應用階段，它具有優(yōu)良的硬度、耐磨性和耐蝕性，并且鍍層厚度均勻，孔隙率低的特點，使電鍍工藝在各行各業(yè)中得到了廣泛的應用。但由于鎂電極電位低，化學活性高，透析過程中氫含量高，鍍層與基體結(jié)合力低，很難直接進行電鍍工藝，并且電鍍耐腐蝕金屬溶液中通常含有有害的氰化物，因此開發(fā)無酸、穩(wěn)定、清潔的電鍍技術是鎂合金表面處理的重要方向。

5 鎂合金有機涂層

鎂合金表面處理技術還涉及一種鎂合金表面防護材料的短期防護方法，包括有機涂層、粉末涂層、氣相沉積、液相沉積、凝膠涂層、熱噴涂涂層、含氟化合物涂層等。有機涂層種類繁多，具有適應性廣、成本低、工藝簡單等特點，污染小、厚度均勻，耐腐蝕性好等優(yōu)點。雖然鎂合金有機涂層工藝種類數(shù)不勝數(shù)，但很少有單一涂層能在惡劣環(huán)境下提供防護。

熱噴涂是用火焰、激光、電弧或等離子等噴涂材料加熱或軟化，噴涂在鎂合金表面的一種工藝。粉末噴涂技術包括將有色樹脂固化粉末噴涂在基體上，然后加熱熔融合，得到致密均勻的涂層，由于所得涂層較厚，涂層嚴密無氣孔，從而提高涂層的耐腐蝕性和附著力，但由于在某些隱蔽的地方噴涂不到位，所以結(jié)構(gòu)復雜，凹凸過密的元件不適合這種噴涂方式。目前，國內(nèi)外還無法開發(fā)出一種能抵抗惡劣環(huán)境的單層涂料，所以能夠研究出一種可以抵抗極端條件下的單層膜層是今后需要研究的一大課題。

6 結(jié)語

鎂合金作為一種新型的結(jié)構(gòu)材料，將得到越來越廣泛的應用，其相應的表面處理方法也將迅速發(fā)展。鎂合金的表面處理方法很多，但目前還不能達到理想的處理效果，也沒有一種適合于所有類型鎂合金的表面處理方法。加強鎂合金表面處理技術的發(fā)展，研究保護膜的形成機理，提高表面保護膜的性能，對提高鎂合金的耐蝕性具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。