硝酸鈰對鎂合金鈣系磷化膜耐蝕性的影響

宋政偉，徐克瑾，張勝健

（太原工業(yè)學院化學與化工系，山西太原 030008）

鎂合金材料由于具有比強度高、密度小、生物相 容性好等性能［1］，在交通運輸、電子和醫(yī)療方面具有很大的應用潛力。但是耐蝕性差卻成為其廣泛應用的最大阻礙，提升鎂合金的耐蝕性成為鎂合金行業(yè)發(fā)展亟需解決的問題［2］。

表面處理是提升鎂合金其耐蝕性的一種主要方式，常見的表面處理方式有電鍍［3］、化學鍍［4］、有機涂層、陽極氧化、表面轉(zhuǎn)化膜等。表面轉(zhuǎn)化膜具有工藝簡單和處理成本低等特點，成為工業(yè)中最為常用的一種表面處理方式。但是上世紀最常用的鉻系轉(zhuǎn)化膜具有較大的生物毒性［5］，現(xiàn)已被多數(shù)國家禁止使用，環(huán)保型的轉(zhuǎn)化膜更適合當今社會。磷化膜被認為是替代鉻化膜的最有潛力的表面轉(zhuǎn)化膜。常見的磷化有鋅系、稀土系、鈣系等［6-8］，鈣系磷化層成分與骨骼成分相近，不存在生物毒性離子［9］，具有更好的生物相容性。但是相對于鉻轉(zhuǎn)化膜，磷化層的耐蝕性相對較差［10］。如何進一步提升磷化層的耐蝕性是當前研究的熱點。據(jù)文獻報道［11-14］，稀土元素的添加能細化結(jié)晶，促進磷化層的形成，從而提升磷化膜的耐蝕性。Zeng R C等［15］向Ca-Zn磷化液中添加1.0 g/L的硝酸鈰，發(fā)現(xiàn)鈰離子能夠促進Ca的均勻分布，所形成的的磷化層的更加致密，磷化層中含有CePO4和CeF3化合物。而其他研究表明，少量的鈰離子添加不影響磷化層的成分卻能夠提升磷化層的致密性［16-17］。由此可見，鈰的添加量不僅會影響磷化層的致密性，且對磷化層的成分會產(chǎn)生影響。能否通過控制鈰的添加量，在提升鈣系磷化層耐蝕性的同時不影響其成分，是本研究的重點。

本文以提升鎂合金鈣系磷化耐蝕性為目的，通過向磷化液中添加少量硝酸鈰，以獲得具有更加致密結(jié)構(gòu)的磷化層。并對磷化層的結(jié)構(gòu)和耐蝕性做了進一步研究。能夠為鎂合金的進一步應用起到一定的推動作用。

1 實驗部分

1.1 工藝流程

鎂合金AZ31B→打磨→冷水洗→堿洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→磷化

1.2 磷化層的制備

實驗材料為AZ31B，切成20 mm×30 mm的長方形，用砂紙（600#，1200#）依次進行打磨，去除表面氧化層。

堿洗液主要成分為NaCO3和Na3PO4，堿洗溫度70℃，去除表面油污。

酸洗液主要成分為磷酸和硝酸，在室溫下酸洗10 s，進一步去除表面新形成的氧化層，暴露鎂合金基底。

基礎(chǔ)磷化液 的 成分為20 g·L-1Ca（NO3）2和25 g·L-1（NH3）2HPO4，磷化溫度55℃，pH值3，磷化時間20 min，所得的試樣記為基礎(chǔ)磷化層。為了研究硝酸鈰的添加量，分別向磷化液中加入50 mg·L-1，100 mg·L-1，150 mg·L-1，200 mg·L-1，250 mg·L-1的硝酸鈰。

1.3 涂層的表征

1.3.1 形貌及結(jié)構(gòu)表征

采用X射線粉末衍射儀（Smart1ab（9 kW），日本理學株式會社）對磷化層的物相組成進行分析，陽極靶材為銅（λ=0.15405 nm），掃描速率為0.33°·s-1。

采用掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-7200F，日本捷歐路）和能量色散譜儀對磷化層的微觀結(jié)構(gòu)和成分進行表征。

1.3.2 耐蝕性測定

采用PARSTAT MC電化學工作站（Princeton，美國）對涂層的耐蝕性進行測定。電解液為3.5%的氯化鈉溶液，對電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極，試樣為研究電極，暴露面積為1 cm2。待開路電位穩(wěn)定后測定極化曲線，極化范圍±400 mV（相對于開路電位），掃描速率為1 mV·s-1。

采用析氫實驗進一步確定試樣的耐蝕性，腐蝕液為3.5 %氯化鈉溶液，將試樣浸入到500 mL的電解液中，收集所產(chǎn)生的的氫氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 硝酸鈰對磷化層形貌的影響

圖1為不同硝酸鈰添加量時，磷化層的表面形貌圖。從圖1（a）中可以看出，基礎(chǔ)磷化層結(jié)晶粗大，磷化層由形核點開始發(fā)散狀長大，但是由于初始形核點較少，表面存在未完全覆蓋區(qū)域。添加硝酸鈰與基礎(chǔ)磷化層相比，整體晶體尺寸減小。隨著添加量從50 mg·L-1逐步增加到250 mg·L-1，晶粒呈現(xiàn)增大的趨勢。當添加量為50 mg·L-1時，晶體尺寸最小，但是堆疊較為松散；添加量增大到100～150 mg·L-1時，堆疊更為緊密，其中100 mg·L-1時結(jié)晶更細；添加量到200～250 mg·L-1時，結(jié)晶進一步粗大，且出現(xiàn)未覆蓋區(qū)域，在250 mg·L-1時，未覆蓋區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)更為細小的菊花瓣狀結(jié)晶。

圖1不同硝酸鈰添加量制備的磷化層形貌Fig.1 Morphology of phosphating layers prepared with different addition amount of cerium nitrate

2.2 硝酸鈰對磷化層物相的影響

圖2 為磷化層的XRD譜圖，從圖中可以看出，添加硝酸鈰的磷化層與基礎(chǔ)磷化層的衍射峰位置基本一致，偏移角度低于0.2°，說明硝酸鈰的添加對磷化層的組成影響較小。衍射峰與標準卡片（PDF#72-1240）峰位置相一致，磷化層的主要成分為CaHPO4·2H2O。相對于基礎(chǔ)磷化層，在10.5°左右（002）晶面的衍射峰強度在不同添加量時有明顯的改變，衍射峰強度先減弱后增強，說明涂層的結(jié)晶程度先減小后增加，當添加量為150 mg·L-1時結(jié)晶度最差，涂層無序性增加。說明添加硝酸鈰會影響磷化層的結(jié)晶狀態(tài)，對晶體的生長方向有影響。

圖2磷化層XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of phosphating layers

2.3 硝酸鈰對磷化層耐蝕性的影響

圖3 （a）為磷化層在氯化鈉溶液中的極化曲線，從圖中可以看出，添加硝酸鈰的磷化層極化曲線形狀相似，與基礎(chǔ)磷化層相比，陽極區(qū)呈現(xiàn)鈍化特征。圖3（b）為擬合所得腐蝕電位和腐蝕電流密度與添加量之間的關(guān)系，可以看出，腐蝕電位差異不大。相對于未添加硝酸鈰的磷化層，添加后腐蝕電流密度都有所降低，其中當添加量為100 mg·L-1時，對應的腐蝕電流密度最低，約為1.4×10-6A?cm-2，降低為基礎(chǔ)磷化層的1/3左右，說明所得的磷化層耐蝕性最佳。

圖3 磷化層在3.5%NaCl溶液中的極化曲線及擬合數(shù)據(jù)Fig.3 Polarization curve and fitting data of phosphide layers in 3.5%sodium chloride solution

2.4 磷化層的截面形貌及成分

涂層的耐蝕性與涂層的厚度和孔隙率密切相關(guān)，因此，測定了基礎(chǔ)磷化層和添加100 mg·L-1硝酸鈰的磷化層的截面形貌和成分，結(jié)果見圖4。圖4（a）為基礎(chǔ)磷化層截面形貌，可以看出：基礎(chǔ)磷化層不同位置厚度不均一，厚度分布從14 μm到20 μm。圖4（b）為添加100 mg·L-1硝酸鈰的磷化層的截面形貌，可以看出，添加硝酸鈰后，磷化層的厚度增厚至26 μm，且厚度分布相對均一，說明添加硝酸鈰后磷化層的生長速度更快。更厚且結(jié)晶更細的磷化層能夠為基底提供更好的保護，該結(jié)果與極化曲線結(jié)果一致。

圖4磷化層截面形貌及成分Fig.4 Cross-sectional morphology and composition of phosphating layers

圖5（a）和5（b）為磷化層EDS譜和元素相對含量圖，從圖5（a）中可以看出，添加硝酸鈰和基礎(chǔ)磷化層的主要成分均為C、O、P和Ca四種元素，未出現(xiàn)Ce的特征峰。從圖5（b）可以看出，相對于未添加的磷化層，添加之后Ca和P的含量增加，氧的含量有所降低，說明磷化層中Ca鹽比重增大，磷化層厚度增加。

圖5磷化層成分及各元素含量Fig.5 Composition of phosphating layers and content of each element

2.5 腐蝕形貌及成分

圖6為極化后未添加和添加100 mg·L-1硝酸鈰的磷化層表面形貌圖。從圖6（a）中可以看出，未添加硝酸鈰的磷化層在極化后表面出現(xiàn)明顯的腐蝕坑，腐蝕發(fā)生在磷化層未覆蓋的位置。而添加100 mg·L-1硝酸鈰的磷化層極化后未看到有腐蝕點出現(xiàn)。

圖6 極化后磷化層表面形貌Fig.5 Surface morphology phosphating layers after polarization

采用EDS對磷化層的成分進行了分析，結(jié)果見圖7（a）和7（b）。從圖中可以看出，基礎(chǔ)磷化層的成分中含有Mg和Na元素，說明腐蝕溶液穿過磷化層與基底接觸，使基底發(fā)生腐蝕。而添加硝酸鈰的磷化層成分不含Mg和Na，說明基底未發(fā)生腐蝕。也進一步說明添加硝酸鈰后磷化層的耐蝕性有所提升。

圖7極化后磷化層表面形貌及成分Fig.7 Composition of phosphating layers after polarization and content of each element

2.6 腐蝕析氫量

圖8為不同試樣在3.5 %氯化鈉溶液中浸泡所得的析氫曲線?？梢钥闯?，基底鎂合金的析氫量與浸泡時間呈線性關(guān)系，當浸泡時間為165 h時，析氫量約為23 mL·cm-2?；A(chǔ)磷化層和添加100 mg·L-1硝酸鈰的磷化層在浸泡時間低于50 h時，析氫量相同，約為0.25 mL·cm-2。浸泡時間長于50 h，析氫量出現(xiàn)明顯差異。當浸泡時間為165 h時，基礎(chǔ)磷化層的析氫量約為2.1 mL·cm-2，而添加硝酸鈰的磷化層的析氫量僅為0.6 mL·cm-2，進一步說明加入硝酸鈰后能夠提升磷化層的耐蝕性。

圖8 試樣在3.5%氯化鈉溶液中的析氫量隨時間變化曲線Fig.8 The dependence of evolved hydrogen for samples in 3.5%NaCl solution on immersion time

2.7 磷化機理

從上述測試結(jié)果可以看出，適量的硝酸鈰添加能夠加快磷化層的形成，同時細化結(jié)晶，使磷化層致密，從而提升磷化層的耐蝕性，但是基本不會影響磷化層的成分，這與文獻結(jié)論一致。當鎂合金放入基礎(chǔ)磷化液中時，鎂合金表面會發(fā)生溶解［18］，發(fā)生反應（1）和（2）。

鎂合金表面堿性增高，溶液中的H2PO4-與表面的OH-反應生成HPO42-，見（3），Ca2+與HPO42-反應沉積在鎂合金表面［19］，最終形成磷化層，見（4）。

添加少量硝酸鈰之后，由于稀土的特性，使稀土元素價態(tài)穩(wěn)定在3價或4價，見反應（5）和（6）。促進氧的傳遞從而促進陰極反應［20-21］，使鎂合金表面pH值上升，初始形核數(shù)增多，從而細化結(jié)晶并加快磷化層的沉積。由于硝酸鈰的添加量很小，只在初始形核過程中起到作用，不參與磷化層的后續(xù)成膜反應，所以在磷化層中未檢測到，XRD和EDS結(jié)果證明了這一點，與文獻報道結(jié)果相一致［10］。

當硝酸鈰添加量過多時，會與溶液中的磷酸根反應在鎂合金表面形成大量的沉積物CePO4，該沉積物會抑制陽極過程［16-17］，從而抑制成核數(shù)量，導致試樣表面出現(xiàn)未覆蓋磷化層的區(qū)域。

3 結(jié)論

（1）適量硝酸鈰添加能夠細化結(jié)晶，加快磷化層的沉積。過量的硝酸鈰不利于磷化層沉積。

（2）硝酸鈰的添加影響磷化層的結(jié)晶狀態(tài)，不影響磷化層的化學組成。

（2）當硝酸鈰的添加量為100 mg·L-1時，所得磷化層結(jié)晶細致，表面孔隙少，磷化層厚度均一，約為26 μm。相對于基底和基礎(chǔ)磷化層，在氯化鈉溶液中，添加后的磷化層具有更小的腐蝕電流密度和更少的析氫量，具有更好的耐蝕性。