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        鎂合金低污染化學鍍技術(shù)研究

        2012-08-29 12:06:08陳曉斌段海峰
        裝備制造技術(shù) 2012年7期
        關鍵詞:化學鍍鍍鎳鎂合金

        陳曉斌,段海峰

        (華南理工大學 廣州學院,廣東 廣州 510800)

        1 鎂合金的應用現(xiàn)狀及面臨的問題

        鎂是地殼中儲藏量較多的金屬元素之一,僅次于鋁和鐵而居第三位。鎂的化合物占地殼總質(zhì)量的2.35%;鎂合金減震性好,可承受較大的沖擊震動負荷。鎂還具有優(yōu)良的吸濕能力、流動性、尺寸穩(wěn)定性、機械加工性能和電磁干擾屏蔽性能。

        鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料使用,具有廣闊的前景。然而迄今為止,其應用潛力與現(xiàn)實之間依然存在巨大反差。造成這種現(xiàn)狀的主要原因,就是鎂的腐蝕問題。

        由于鎂的化學性質(zhì)活潑,表現(xiàn)出很差的耐蝕性。雖然在其表面存在自氧化膜,但該膜薄且結(jié)構(gòu)疏松,對基體的保護能力不強,即使在室溫下也會與空氣發(fā)生作用,不能適應大多數(shù)的使用環(huán)境。因此耐蝕性差,成為鎂及其鎂合金廣泛應用的主要障礙之一。

        2 鎂合金的防腐蝕技術(shù)

        為了搞好鎂合金的防護工作,提高鎂合金材料的使用壽命,到目前為止,已經(jīng)開展了許多研究工作,有控制冶金因素、快速凝固處理和表面處理等,其中以表面處理應用最廣。

        表面處理技術(shù),是材料表面改性和新材料制備的重要手段,因其工藝簡單,成本低廉,而在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應用。鎂合金的表面處理方法很多,如化學轉(zhuǎn)化、陽極/微弧氧化、離子注入、激光表面處理、電鍍、化學鍍等。

        與其他處理方法相比,化學鍍鎳- 磷合金,可使基體材料獲得良好的耐蝕性和耐磨性。同時還具有鍍層厚度均勻、化學穩(wěn)定性好、表面光潔平整、可操作性強、方法簡單易于控制、可以在形狀復雜的鑄件上得到均勻的鍍層、鍍層的性能可以根據(jù)不同的需要進行調(diào)節(jié)等優(yōu)點。因此,化學鍍鎳- 磷合金,已成為鎂合金重要的表面處理方法之一。

        3 本課題的研究目的和內(nèi)容

        研究目標為通過對現(xiàn)有工藝的鍍前處理進行改進,以低污染與低成本工藝,實現(xiàn)在鎂合金表面外觀優(yōu)良、耐蝕、耐磨化學鍍層的原位制備。

        研究內(nèi)容為遵照ASTM 相關標準,實現(xiàn)鎂合金的標準化學鍍,以對化學鍍機理的認識為基礎,以化學鍍鍍前處理新技術(shù)的開發(fā)為突破口,實現(xiàn)鎂合金低污染低成本化學鍍技術(shù)的開發(fā)。

        4 實驗材料及研究方法

        4.1 實驗材料

        實驗所用材料為壓鑄鎂合金AZ91D,主要化學組成如下表1 所示。

        表1 壓鑄鎂合金AZ91D 的主要化學組成(in w t%)

        根據(jù)實驗需要,制備了兩類試樣:

        為減少工藝探索過程中溶液的消耗,一類試樣先加工成30 mm×30 mm×32 mm 的尺寸,并在30 mm×32 mm 的面上緊靠30 mm×30 mm 面的一端鉆孔,經(jīng)150#~1000#水磨砂紙由粗到細依次打磨,自來水和蒸餾水先后漂洗后與銅導線相連。

        另一類試樣先線切割成50 mm×50 mm×2 mm的尺寸,并在50 mm×50 mm 的面上緊靠50 mm×2 mm 面的一端鉆一通孔,經(jīng)100#~1000#水磨砂紙由粗到細依次打磨,自來水和蒸餾水先后漂洗后,與鋁導線相連,絕緣處理后置于干燥器待用。

        實驗中所用電解質(zhì)全為AR,電解液以一次蒸餾水配置。為降低實驗過程中的偶然誤差,每組實驗的平行樣數(shù)目為4個。

        4.2 化學鍍施鍍方法

        化學鍍工藝流程為:

        打磨→水洗→鍍前處理→化學鍍→水洗→吹干。

        為突出重點,研究中固定除鍍前處理之外的所有工序,且以Dow 直接化學鍍鎳法所用鍍液及操作條件進行化學鍍施鍍。通過考察施鍍效果,從而對鍍前處理工序進行簡化,擬以更簡單更環(huán)保的工序達到更佳或相當?shù)腻兦疤幚硇Ч?/p>

        Dow直接化學鍍鎳法溶液配方:

        4.3 性能測試研究方法

        (1)電解液pH 值測定方法。按照一定組成和濃度對電解液進行復配后,以pHS-2C 精密級數(shù)字式酸度計對電解液的pH 值進行測試。實驗室所用pHS-2C 型pH 計是利用復合電極對被測水溶液中不同的酸度產(chǎn)生直流電位,通過前置阻抗轉(zhuǎn)換器,把高內(nèi)阻的直流電位轉(zhuǎn)變成低內(nèi)阻的直流電位,輸入到A/D 轉(zhuǎn)換器,以達到pH 值數(shù)字顯示。

        應用pHS-2C 型pH 計測量溶液pH 值前,先接上電極桿后,再接通電源,然后選擇測量項為pH 值,再讓儀器預熱10 min。然后,為了降低測量誤差,在測量前須先選好測量溫度并采用兩點標定法,對儀器進行標定,之后方能測量待測溶液pH 值。

        (2)化學鍍鍍前處理及施鍍操作以及效果觀察。將試樣以不同的方法進行鍍前處理后,觀察并如實記錄其表面形貌的變化。然后將試樣浸入Dow 直接化學鍍鎳法所用鍍液中,溶液溫度以恒溫水浴鍋控制在75~82 ℃范圍內(nèi),施鍍時間控制為4 h。

        由于操作溫度較高,溶液蒸發(fā)損失較為嚴重,因此施鍍期間需要定期向鍍液中補充蒸餾水。待預設時間結(jié)束,將試樣取出,以自來水將試樣沖洗干凈后,以吹風機將其吹干,之后以肉眼觀察化學鍍施鍍效果。對于某些特殊試樣,用金相拋光機對試樣進行打磨,定性研究鍍層的耐磨性、厚度、致密性以及與基體之間的結(jié)合狀況等。

        (3)微觀結(jié)構(gòu)研究方法。采用Leica 光學顯微鏡,對典型試樣的微觀形貌進行不同放大倍率的觀察。

        5 鎂合金化學鍍鍍層微觀結(jié)構(gòu)研究及比較

        為從結(jié)構(gòu)角度認識不同化學鍍鍍前處理對施鍍效果的影響,對典型試樣的微觀形貌進行光學顯微鏡(OM)觀察,其結(jié)果如圖1 到圖4 所示。

        圖1 為01 樣(編號為02 的實驗所對應的試樣,下同)即空白試樣經(jīng)HF 活化處理之后的結(jié)果。

        圖2 為02 樣即按照ASTM 標準制備的試樣的情況。

        圖3、圖4 分別為03 樣、04 樣表面的化學鍍鍍層的情況。a 和b分別對應50×和500×的放大倍數(shù)。

        圖1~圖4 典型試樣微觀形貌光學顯微鏡觀察結(jié)果圖

        由圖1~圖4 可以看出:

        (1)所有化學鍍鍍層的主體,都由球狀顆粒堆積而成。不同球狀顆粒之間的擠壓痕跡非常明顯。

        (2)由于化學鍍鍍前處理工藝的差異,化學鍍鍍層在微觀結(jié)構(gòu)上存在顯著不同。雖然空白試樣經(jīng)活化處理之后,也能形成完整鍍層,但該鍍層表層鑲嵌有孤立的球狀或念珠狀鍍粒,因此在微觀尺度上粗糙、不均勻。ASTM 標準試樣的表層,則分布有大量葡萄串狀的組織,導致鍍層的均勻性和光滑度明顯降低。采用新的技術(shù)路線進行化學鍍的鍍前處理,所得鍍層在均勻性和粗糙度方面則有顯著改進。

        (3)鍍層表面或多或少分布有黑色斑點和微細孔洞。由于鍍前處理的不同,黑斑和孔洞的密度不同。

        6 結(jié)束語

        通過實驗研究,得出如下結(jié)論:

        (1)采用新的鍍前處理工藝,對試樣進行化學鍍鍍前處理,不僅能促進化學鍍鍍層的順利生長,而且所獲得的鍍層在外觀品質(zhì)與基體的結(jié)合力等方面,也有較大提高。

        (2)通常情況下,對經(jīng)過新的鍍前處理工藝處理過的試樣,進一步進行HF 活化處理,有利于促進隨后的化學鍍施鍍過程,所獲得的鍍層品質(zhì)也有較大提高。但在某些特殊的鍍前處理工藝條件下,活化處理的作用并不明顯。

        (3)所有化學鍍鍍層的主體,都由球狀顆粒堆積而成。由于化學鍍鍍前處理工藝的差異,化學鍍鍍層在微觀結(jié)構(gòu)上存在顯著不同。采用新的技術(shù)路線進行化學鍍的鍍前處理,所得鍍層在均勻性和粗糙度方面有顯著改進。

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