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镁合金的表面处理  

2008-06-02 12:04:17|  分类: 镁合金 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:综述了镁合金的腐蚀机理及腐蚀防护研究的现状、进展与问题。重点介绍了压铸镁合金制品的表面特性、表面处理原理、工艺、应用实例及未来发展方向。

关键词:镁合金 腐蚀与防护 表面处理

 

0 前言

以质轻和可回收为应用特点的镁合金,日益成为现代工业产品的理想材料,特别是汽车零部件的大量应用,电讯产品向轻、薄、短、小方向发展的需求,使得这种新兴材料的发展呈现极为乐观的前景。

随着现代科技的发展,曾经困扰镁合金产业的相关技术问题如压铸问题、回收问题已经相继得到解决,镁合金产品后段工序——表面处理技术亦取得重大进展,这使得镁合金的应用范围不断扩大,使用量也迅速增大,镁产业正以几何级数高速增长。

适当的表面处理能使产品具有保护性和装饰性,并可赋予某些特殊功能。对于活泼的镁来说,通过表面技术获得较高的装饰性和功能性肯定重要,而提高其防腐蚀性能则是现阶段最最重要的一面。

 

1镁合金的腐蚀与防护

1.1 镁的性质

   镁元素符号Mg,原子序数为12,电子结构为2-8-2,标准电极电位很负(-2.36V),较易失电子而发生氧化反应,从而导致镁及镁合金的耐腐蚀性很差,在腐蚀性介质中很容易发生严重的腐蚀。镁合金自然形成的氧化膜疏松多孔,以MgO、Mg2+为主要成份的膜的致密度系数为0.8左右(<1),对基体的保护能力较差,不适用于大多数的腐蚀性环境。

 

1.2 镁合金的腐蚀方式

镁合金的腐蚀方式通常有两种情况:一是在一般环境中的腐蚀,称“一般腐蚀”或“环境腐蚀”,也称“化学腐蚀”,二是在原电池环境下产生的“电化学腐蚀”。

暴露在干燥的空气中时镁合金表面会形成一层很薄的膜,这层膜在没水接触的情况下很稳定,此时就不会发生腐蚀现象。但在实际操作环境中可能会与水或水气接触,这时就会导致膜(表面)的颜色变深(从浅灰到深灰)。如果进一步暴露在液态水和空气中,就会继续跟空气中的CO2与H2O反应生成碳酸盐,使这层膜变厚。一般情况下这层膜足够稳定,具有一定的保护性,此时不需要作任何处理亦可使用。例如汽车自动(刹车)闸外壳,就不需要外加保护措施。

当使用高纯度AZ91D时,也不需要保护措施。即使车与路面溅起的水接触,也不需要保护,因为这层膜在中性、碱性(或一般条件下)比较稳定,具有保护作用。

但是,如果在设计上存在有水进入(或残留)的问题,或者在使用过程中遇到含盐的环境(如海水),就会形成一个微电池环境,产生较为严重的电化学腐蚀,包括在中性、碱性环境中都会产生类似的腐蚀。此时就需要一个良好的表面处理保护措施。

由上所知,电化学腐蚀是镁合金腐蚀的主要方式,在中性、碱性环境中,电化学腐蚀的原理如下(图一):

 

 

 

其化学反应原理如下:

Mg-2e=Mg2+ (阳极反应)

2H2O+2e=H2+OH-(阴极反应)

Mg2++2OH-=Mg(OH)2(腐蚀产物)

总反应为Mg+2H2O= Mg(OH)2+ H2

在上述反应中,镁作为阳极失去电子而腐蚀,在阴极释放电子产生氢气。通常情况下,阴极可能是外部与镁合金相接触的其它金属部件,也可能是合金元素或杂质元素,它们与镁合金基体形成原电池,诱发电极反应,产生电化学腐蚀。

 

1.3 镁合金的腐蚀形态

   镁合金的腐蚀形态主要有以下几种:

(一)、电偶腐蚀:这是镁合金最易发生的一种腐蚀形态,镁基体与阴极相邻的局部区域通常会发生严重的腐蚀。

(二)、点蚀:在含有Cl—的非氧化性介质中,镁合金在自腐蚀电位下容易发生点蚀;在中性或碱性介质中,镁合金的腐蚀形态通常也是点蚀。

(三)、应力腐蚀:在含有Cl—的中性溶液甚至蒸馏水中,镁合金都有腐蚀开裂的倾向;在碱性介质中,当PH>10.2时,镁合金表现出良好的抗应力腐蚀的性能;在氟化物的溶液中,镁合金也有良好的抗应力腐蚀的性能。

(四)、晶间腐蚀:镁合金一般对晶间腐蚀不敏感,腐蚀不能够沿着晶界发展。

(五)、丝状腐蚀:在保护性有机涂层或阳极氧化膜下,由于腐蚀电池在镁合金基体表面的移动而产生丝状腐蚀。

 

1.4 镁合金与其它材料腐蚀性对比

20世纪80年代,镁合金材料开发取得了长足进展。人们发现Fe、Ni、Cu等杂质元素以及Fe与Mn的比例对镁合金耐蚀性的影响非常之大,为此开发了高纯度的新一代的压铸镁合金AZ91D等。高纯度镁合金的耐蚀性能提高了100倍,使其超出了其它与之竞争的材料,在不经保护的状态下即可满足大部分汽车应用的要求,甚至是暴露在冬季道路条件下。这一技术上的突破对后期压铸镁合金的发展至关重要,也是目前镁合金能够得到大量应用的重要原因。在耐盐雾腐蚀能力方面,大多数压铸镁合金牌号都已经超过了铝合金A380(如图二所示)。

 

 

 

1.5 镁合金腐蚀的防护技术

针对镁合金发生腐蚀的机理,目前镁合金腐蚀防护技术的研究工作主要集中在以下几个方面

1.5.1 零件设计(如图三所示)

一个好的保护措施要从一个好的设计开始。这是一个系统工程,从腐蚀防护的角度出发,一个好的镁合金零件设计应考虑下列因素:

(一)、不能让水或其它液体聚积在一起,使之形成原电池环境。

(二)、边角应设计成圆弧形,尖锐的边角会降低保护作用。

 

1.5.2材料选择:

产品设计中,各相邻零配件所用原材料的选择也是很重要的。既要保证其结构性功能不受影响,又要使两种材料间的电位差不大,方能保证不产生严重腐蚀现象。

另一个要注意的问题是,零件之间的连结件及连结介质的材料与防腐蚀处理工艺

也是要十分注意的问题。

 

下面列出了一些常用材料的电化学活性顺序(室温下,海水中),离镁越近则其与镁的相容性越好:

镁合金

铝合金5000、30000、1100、6000

铝合金2000

13%镀铬不锈钢(活性的)

18-8不镀钢(活性的)

海军黄铜

镍(活性的)

铝铜合金

红铜,铜

镍(惰性的)

镍铜合金

18-8不锈钢(惰性的)

1.5.3冶金控制

冶金因素包括合金组元、杂质元素、相组成和微结构。

不同元素对镁合金的腐蚀性能影响不同,依据目前常用镁合金材料的合金组元,一般分为三类,如表一所示。通过合金元素对镁合金腐蚀速度影响的分析,通常将第三类元素的含量降低到临界值以下,采用提高纯度的方法来增加耐腐蚀性。

 

对腐蚀速度影响不大的

Al、Mn、Na、Si、Zr等元素

对腐蚀速度影响稍大的

Zn、Cd、Ca、Ag等元素

对腐蚀速度影响极度增大的

Ni、Fe、Cu、Co等元素

表一 不同元素对镁合金的腐蚀性能影响

相组成对镁合金的腐蚀性能影响也很大,合金的加工工艺不同,相成份和含量不同,其影响机理也不同。如快速凝固可以改善材料的相成份和微观结构,使基体组织更加均匀,减少缺陷,抑制局部腐蚀。

另一方面,就是开发高耐蚀新型合金系统,以适应不同腐蚀性环境的影响。

1.5.4表面处理

在冶金控制及新型合金开发取得重大进展之前,通过各种表面处理技术来控制镁合金的腐蚀,毫无疑问,这应是当前业界最重要的研究课题。

下面将对镁合金的表面处理技术及工艺进行扼要的阐述。

 

2 镁合金的表面处理

2.1 镁制品主要表面性能要求

通常用于取代铝、铁或塑胶的镁合金,表面处理时的原则之一是保持材料本身的优越性能,而更重要的一点是要把一些差于其它材料的性能提升上来,以达到产品的性能要求,如耐腐蚀性。下面列出一些镁合金制品的主要表面性能要求。

2.1.1 汽车、摩托车、工具类性能要求

(一)、一般机械性能:硬度、强度、抗冲击性、抗疲劳性等。

(二)、保护性:耐腐蚀性、耐化学性、耐候性、防污染性。

(三)、装饰性:着色性、光泽性等。

(四)、可加工性:如焊接性、粘接性等

2.1.2 3C制品类性能要求

(一)、一般机械性能:硬度、强度、抗冲击性、抗疲劳性等。

(二)、保护性:耐腐蚀性、耐化学性、耐候性、防污染性。

(三)、热传导性

(四)、导电性

(五)、电磁屏蔽性

(六)、可加工性:如焊接性、粘接性等

(七)、装饰性:着色性、光泽性等。

大多数产品零件不会对全部性能提出较高要求,通常只针对其产品的部分性能提出高要求,以便降低技术门槛,降低产品综合成本。

 

2.2 压铸镁合金制品素材表面分析

要开发出一个完善的表面处理技术与工艺,必须要充分掌握原材料表面的物理化学特性的影响,现仅对镁合金压铸件的表面状况对处理工艺的影响进行分析。

2.2.1 表面原始疏松膜的影响

 

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