婁 貴,滕新營,葉志堅,岳建行,馮 赟
(濟南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟南250022)
鎂合金以低密度、高強度質(zhì)量比、良好的可回收性等優(yōu)良性能在航空航天、電子、汽車等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1,2]。然而,金屬鎂化學(xué)性質(zhì)較為活性,容易在潮濕和含鹽的大氣中發(fā)生腐蝕。因此,提高鎂合金的耐腐蝕性能成為一個重要的課題。近年來,人們主要通過兩種思路來提高鎂合金的耐蝕性能:組分優(yōu)化和表面處理[3]。組分優(yōu)化的方法就是降低鎂合金中鐵、銅、鈷等有害元素的含量,提高鋁、鋰、稀土等有益元素含量[4]。相比于組分優(yōu)化,表面處理是一種更直接有效提高耐性的方法.本論文采用操作簡單、節(jié)能環(huán)保的磷酸鋅轉(zhuǎn)化膜工藝來提高鎂合金的耐蝕性。為了獲得耐蝕性最佳的轉(zhuǎn)化膜制備方案,該論文采用納米氧化鋅作為鋅源,并利用正交試驗設(shè)計法進行試驗。
在本論文中,AZ91D鎂合金作為制備磷酸鋅涂層的基底材料,尺寸為10mm×30mm×2mm的長方體.將試樣打磨至1200目,其化學(xué)成分列于表1中。
表1 AZ91D鎂合金的化學(xué)組成成分
實驗流程為:超聲清洗→堿洗→酸洗→磷化膜的制備。在基礎(chǔ)工藝的條件下設(shè)計正交試驗,本論文考慮 5個因素 NaNO3,C6H8O7·H2O,NaF,ZnO,H3PO4,每個因素考慮4個水平,因此選用L16(45)正交表安排試驗,16代表總試驗次數(shù)。因素的選擇與水平的設(shè)計列在表2,正交表的設(shè)計、實驗結(jié)果與極差分析結(jié)果如表3所示。
表2 因素和水平的選擇
利用掃描電子顯微鏡觀察轉(zhuǎn)化膜的微觀形貌。為了研究磷酸鋅轉(zhuǎn)化膜的耐腐蝕性,使用三電極電化學(xué)工作站進行動電位極化測試。用于電化學(xué)測試的電解質(zhì)是質(zhì)量分數(shù)為3.5%的NaCl溶液。
利用Tafel外推法獲得腐蝕電流密度(icorr)和腐蝕電位(Ecorr)。此外,腐蝕速率v(mm/a)可以利用腐蝕電流密度,通過以下面公式[5]計算得到。
表3 L16(45)正交實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
圖1是16組試驗的宏觀照片,從圖中可以看出,有的轉(zhuǎn)化膜不能與基體緊密結(jié)合,部分或完全脫落,有的轉(zhuǎn)化膜平整致密。為了更好地研究轉(zhuǎn)化膜的表面形貌,利用掃面電子顯微鏡對試樣進行了觀測。圖2是16組試驗的微觀結(jié)構(gòu)照片。
從圖2看出,試驗號為1、2、3、4、5、6、7、11、12、14、16的轉(zhuǎn)化膜存在氣孔與裂紋,然而試驗號8、9、10、13、15的轉(zhuǎn)化膜均勻致密,有的轉(zhuǎn)化膜呈現(xiàn)了花狀結(jié)構(gòu)。
為了探究耐蝕性最優(yōu)的制備工藝,采用三電極電化學(xué)工作站對試樣進行了動電位極化測試,以Ecorr為指標(biāo)進行極差分析,腐蝕電位的值越正表示轉(zhuǎn)化膜的耐蝕性越優(yōu)異,通過極差分析結(jié)果,可以看出各因素對轉(zhuǎn)化膜耐蝕性影響程度從大到小依次為:氟化鈉 檸檬酸 硝酸鈉 氧化鋅硝酸。因此最優(yōu)工藝為:
圖1 試樣的宏觀照片
圖2 試樣的SEM照片
A3B1C4D3E3,記為17號,即1.25g/LNaNO3,2.5 g/L,C6H8O7·H2O,2.5g/L NaF,5.5g/L ZnO,17.5mL/L H3PO4,反應(yīng)溫度 50°C,反應(yīng)30min。
通過極差分析得到的最優(yōu)方案A3B1C4D3E3并不包含在正交表中已經(jīng)做的16組試驗方案之中,為了驗證該實驗方案的是否為最優(yōu)方案,按照該方案進行了試驗,并對其進行動電位極化曲線測試,其試驗結(jié)果在圖3中展示。相關(guān)試驗參數(shù)列在表4中。較高的Ecorr和較低的Icorr表明耐腐蝕性更為優(yōu)異[6],從表4中看出,其中正交試驗中試驗號為10的試樣耐蝕性最佳,因此根據(jù)正交試驗得到的最優(yōu)生產(chǎn)工藝為A3B2C4D3E1。
表4 極化曲線的實驗數(shù)據(jù)
圖3 極化曲線
本論文以納米氧化鋅作為鋅源,以耐蝕性作為指標(biāo)探索了在AZ91D鎂合金表面制備鋅系磷化膜的最優(yōu)工藝,該工藝條件為:1.25g/L NaNO3, 3g/L C6H8O7·H2O, 2.5g/L NaF, 5.5g/L ZnO,12.5mL/L H3PO4,反應(yīng)溫度 50°C,反應(yīng)30min。利用動電位極化曲線測試其耐蝕性,腐蝕電流密度為 1.1×10-5A·cm-2腐蝕電位為-1.04V,腐蝕速度為0.25 mm·a-1,AZ91D鎂合金的耐蝕性能得到顯著提高。