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鎂合金的表面處理

鎂合金的表面處理

 

 

摘要：綜述了鎂合金的腐蝕機理及腐蝕防護研究的現狀、進展與問題。重點介紹了壓鑄鎂合金制品的表面特性、表面處理原理、工藝、應用實例及未來發展方向。

關鍵詞：鎂合金  腐蝕與防護  表面處理

 

0  前言


以質輕和可回收為應用特點的鎂合金，日益成為現代工業產品的理想材料，特別是汽車零部件的大量應用，電訊產品向輕、薄、短、小方向發展的需求，使得這種新興材料的發展呈現極為樂觀的前景。

隨著現代科技的發展，曾經困擾鎂合金產業的相關技術問題如壓鑄問題、回收問題已經相繼得到解決，鎂合金產品后段工序——表面處理技術亦取得重大進展，這使得鎂合金的應用范圍不斷擴大，使用量也迅速增大，鎂產業正以幾何級數高速增長。

適當的表面處理能使產品具有保護性和裝飾性，并可賦予某些特殊功能。對于活潑的鎂來說，通過表面技術獲得較高的裝飾性和功能性肯定重要，而提高其防腐蝕性能則是現階段最最重要的一面。

 

１ 鎂合金的腐蝕與防護

1.1  鎂的性質

    鎂元素符號Mg，原子序數為12，電子結構為2-8-2，標準電極電位很負（-2.36V），較易失電子而發生氧化反應，從而導致鎂及鎂合金的耐腐蝕性很差，在腐蝕性介質中很容易發生嚴重的腐蝕。鎂合金自然形成的氧化膜疏松多孔，以MgO、Mg2+為主要成份的膜的致密度系數為0.8左右（<1），對基體的保護能力較差，不適用于大多數的腐蝕性環境。

 

1.2  鎂合金的腐蝕方式

鎂合金的腐蝕方式通常有兩種情況：一是在一般環境中的腐蝕，稱“一般腐蝕”或“環境腐蝕”，也稱“化學腐蝕”，二是在原電池環境下產生的“電化學腐蝕”。

暴露在干燥的空氣中時鎂合金表面會形成一層很薄的膜，這層膜在沒水接觸的情況下很穩定，此時就不會發生腐蝕現象。但在實際操作環境中可能會與水或水氣接觸，這時就會導致膜（表面）的顏色變深（從淺灰到深灰）。如果進一步暴露在液態水和空氣中，就會繼續跟空氣中的CO2與H2O反應生成碳酸鹽，使這層膜變厚。一般情況下這層膜足夠穩定，具有一定的保護性，此時不需要作任何處理亦可使用。例如汽車自動（剎車）閘外殼，就不需要外加保護措施。

當使用高純度AZ91D時，也不需要保護措施。即使車與路面濺起的水接觸，也不需要保護，因為這層膜在中性、堿性（或一般條件下）比較穩定，具有保護作用。

但是，如果在設計上存在有水進入（或殘留）的問題，或者在使用過程中遇到含鹽的環境（如海水），就會形成一個微電池環境，產生較為嚴重的電化學腐蝕，包括在中性、堿性環境中都會產生類似的腐蝕。此時就需要一個良好的表面處理保護措施。

由上所知，電化學腐蝕是鎂合金腐蝕的主要方式，在中性、堿性環境中，電化學腐蝕的原理如下（圖一）：

 

 

 

 

 

 


 

圖一 電化學腐蝕的原理圖

其化學反應原理如下：

Mg-2e=Mg2+  （陽極反應）

2H2O+2e=H2+OH-（陰極反應）

Mg2++2OH-=Mg(OH)2（腐蝕產物）

總反應為Mg+2H2O= Mg(OH)2+ H2

在上述反應中，鎂作為陽極失去電子而腐蝕，在陰極釋放電子產生氫氣。通常情況下，陰極可能是外部與鎂合金相接觸的其它金屬部件，也可能是合金元素或雜質元素，它們與鎂合金基體形成原電池，誘發電極反應，產生電化學腐蝕。

 

1.3  鎂合金的腐蝕形態

    鎂合金的腐蝕形態主要有以下幾種：

（一）、電偶腐蝕：這是鎂合金最易發生的一種腐蝕形態，鎂基體與陰極相鄰的局部區域通常會發生嚴重的腐蝕。

（二）、點蝕：在含有Cl—的非氧化性介質中，鎂合金在自腐蝕電位下容易發生點蝕；在中性或堿性介質中，鎂合金的腐蝕形態通常也是點蝕。

（三）、應力腐蝕：在含有Cl—的中性溶液甚至蒸餾水中，鎂合金都有腐蝕開裂的傾向；在堿性介質中，當PH>10.2時，鎂合金表現出良好的抗應力腐蝕的性能；在氟化物的溶液中，鎂合金也有良好的抗應力腐蝕的性能。

（四）、晶間腐蝕：鎂合金一般對晶間腐蝕不敏感，腐蝕不能夠沿著晶界發展。

（五）、絲狀腐蝕：在保護性有機涂層或陽極氧化膜下，由于腐蝕電池在鎂合金基體表面的移動而產生絲狀腐蝕。

 

1.4  鎂合金與其它材料腐蝕性對比

20世紀80年代，鎂合金材料開發取得了長足進展。人們發現Fe、Ni、Cu等雜質元素以及Fe與Mn的比例對鎂合金耐蝕性的影響非常之大，為此開發了高純度的新一代的壓鑄鎂合金AZ91D等。高純度鎂合金的耐蝕性能提高了100倍，使其超出了其它與之競爭的材料，在不經保護的狀態下即可滿足大部分汽車應用的要求，甚至是暴露在冬季道路條件下。這一技術上的突破對后期壓鑄鎂合金的發展至關重要，也是目前鎂合金能夠得到大量應用的重要原因。在耐鹽霧腐蝕能力方面，大多數壓鑄鎂合金牌號都已經超過了鋁合金A380（如圖二所示）。

 

 

 

 

 

 

 

 


 

圖二  鎂合金與鋁合金A380鹽霧腐蝕傾向比較
 

 

1.5  鎂合金腐蝕的防護技術

針對鎂合金發生腐蝕的機理，目前鎂合金腐蝕防護技術的研究工作主要集中在以下幾個方面

1.5.1  零件設計（如圖三所示）

一個好的保護措施要從一個好的設計開始。這是一個系統工程，從腐蝕防護的角度出發，一個好的鎂合金零件設計應考慮下列因素： 

（一）、不能讓水或其它液體聚積在一起，使之形成原電池環境。

（二）、邊角應設計成圓弧形，尖銳的邊角會降低保護作用。

 

1.5.２ 材料選擇（如圖三所示）：

產品設計中，各相鄰零配件所用原材料的選擇也是很重要的。既要保證其結構性功能不受影響，又要使兩種材料間的電位差不大，方能保證不產生嚴重腐蝕現象。

另一個要注意的問題是，零件之間的連結件及連結介質的材料與防腐蝕處理工藝

也是要十分注意的問題。

 

 

 

 

 

 

 


 

圖三  鎂合金腐蝕防護方法

 

下面列出了一些常用材料的電化學活性順序（室溫下，海水中），離鎂越近則其與鎂的相容性越好：

鎂

鎂合金

鋁合金5000、30000、1100、6000

鎘

鋁合金2000

鋼

13%鍍鉻不銹鋼（活性的）

18-8不鍍鋼（活性的）

鋁

鋅

海軍黃銅