田 偉 黃道兵 文 珂 陳瑩瑩 馮冠文

(1.寶鋼股份武鋼有限制造部 湖北 武漢：430080；2.寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術中心) 湖北 武漢：430080；3.寶鋼股份武鋼有限冷軋廠 湖北 武漢：430080)

0 引言

鎂作為一種有用的工程結構材料，是有較高的強度密度比、較好的加工、延展性能，良好的導電、導熱、抗磁性干擾等優(yōu)點[1-3]。鎂最大的缺點是耐腐蝕性能較差，使得鎂合金作為結構材料的應用受到很大程度的限制[4]。對鎂及其合金進行表面處理能有效抑制鎂及其合金的腐蝕。磷化是一種重要的表面轉化膜處理工藝，可以提高鎂合金的耐腐蝕性，作為其他涂層的底層，還可以增強涂層的結合力。鎂在酸性磷化液中極易腐蝕溶解，磷化比較困難，如何增強鎂及其合金的磷化能力變得非常重要。

磷化液中，磷酸是重要組分。因為鎂在酸性溶液中的高活性溶解性能以及對磷化液中不同添加劑的不同電化學行為，在常規(guī)磷化液中，鎂及其合金的磷化比較困難[4-5]。磷化液除了磷酸成分之外，還添加有添加劑，例如：Zn2+, Ni2+和Mn2+以及NO2-和NO3-作為加速劑[4]，以增強磷化過程。本文研究了Mg在磷酸和磷化液中的腐蝕行為，并通過電化學阻抗(EIS)、動電位極化曲線測試和X射線衍射(XRD)技術研究純鎂的磷化行為，為今后磷化液組分的優(yōu)化提供了實驗支撐。

1 實驗過程

1.1 試驗材料

實驗材料為工業(yè)純鎂(99.99wt%)，電化學測試用試片切割成20mm×20mm×5mm規(guī)格，工作面用水砂紙逐級打磨到1200目，用丙酮除油，乙醇清洗并在冷空氣中干燥作為下步實驗所用。

H3PO4溶液(0.42mol/L)由濃磷酸制備：將23mL濃磷酸(85% H3PO4，比重=1.69)用蒸餾水稀釋到1L。磷化液由上述磷酸溶液溶解27.5g ZnO制備而成，磷化液的pH值為2.7-2.8。

1.2 試驗過程

取試樣材料進行電化學測試，電化學測試包括開路電位測試(OCP)、動電位極化曲線測試、電化學阻抗測試(EIS)。所有電化學測試在電解池內完成，電化學測試采用Solatron 1280 potentiostat工作站。鎂作為工作電極(WE)，Pt網作為對電極(CE)裝在測試電解池內。氯化鉀飽和的Ag/AgCl作為參比電極(RE)(199mV vs. SHE)，電解池保持室溫(25℃)。工作電極放入電解池后測量開路電位(OCP)，OCP達到10分鐘穩(wěn)定后，開始測量EIS，擾動正弦波幅值為10mV，測試頻率為65kHz到0.5Hz，10點每步頻。動電位極化曲線測試范圍為-300mV到600mV vs.OCP，掃描速率為1mV/s。塔菲爾外推法來測定腐蝕電流密度及自腐蝕電位，外推選取起始電位為-300mV(相對于自腐蝕電位)。

2 實驗結果與分析

2.1 開路電位分析

圖1為Mg在H3PO4和磷化液中測試開路電位隨時間的變化圖。由圖1可以看出，Mg在磷化中的開路電位隨時間一直正移，電極放入測試溶液中時，電位在-1.82V，并隨著時間，開路電位逐漸正移，最終保持穩(wěn)定在-1.75V左右。

圖1 Mg在H3PO4和磷化液中OCP圖

測試開路電位時，可以觀察到Mg表面一直處于活性溶解狀態(tài)，表面存在大量的氣泡。測試完開路電位后，Mg表面可以看到較深的腐蝕坑。較負的開路電位值和大量氫氣泡的產生說明在Mg表面形成的磷化層并不致密，無法有效抑制Mg在磷酸溶液中的腐蝕，而在磷化液中的開路電位值比在磷酸中的更正，同時在表面上有顆粒狀磷化產物的生成。

2.2 極化曲線及電化學阻抗測試

Mg在H3PO4和磷化液中的極化曲線如圖2所示。

圖2 Mg在H3PO4和磷化液中極化曲線

由圖2可以看出，Mg在磷化液中的自腐蝕電位值較在磷酸中有較大的正移，自腐蝕電位Ecorr為-1250mV左右，比磷酸溶液的自腐蝕電位值正移了500mV。腐蝕電位的正移和腐蝕電流密度的降低，說明了ZnO的加入使得Mg在磷酸中的腐蝕速率得到了有效抑制，Mg的磷化層比在單獨磷酸中的磷化層的耐腐蝕性能大幅提升。根據以上結果，可以推測ZnO作為磷化液的主要成分對Mg在磷酸中的腐蝕有很好的緩蝕作用，通過調節(jié)ZnO在磷酸溶液中的含量，可能對Mg的磷化效果得到加強。

磷化是非傳荷過程，是在開路電位下同時發(fā)生的化學和電化學過程。因此用電化學阻抗方法可以更好地研究Mg的磷化過程。圖3為Mg在0.42mol/L H3PO4和磷化液中的的阻抗譜圖(Bode)。

圖3 Mg在H3PO4和磷化液中電化學阻抗譜(Bode圖)

由圖3 Bode圖可以看到，在磷化液中，Mg的阻抗比在磷酸溶液H3PO4中阻抗值要大，說明了磷化液中磷化層較磷酸溶液中的磷化層有更高的極化阻抗值，也說明了在磷化液中的磷化膜層比磷酸溶液中的磷化膜層有更好的耐蝕性，EIS結果與極化曲線結果一致。

2.3 XRD分析

對壓邊部位和平板部位區(qū)域進行表面輪廓分析，壓邊部位的表面輪廓如圖4所示。

Mg浸泡在(a)H3PO4溶液和(b)磷化液中光學形貌圖如圖4所示。

圖4 Mg在顆粒下基體光學形貌圖

圖4(c)為圖4(b)覆蓋在灰黑色磷化產物顆粒表面層的形貌圖。在兩種溶液中，Mg表面均能形成一層灰白色的磷化膜層。但只有在磷化液中Mg表面可以發(fā)現(xiàn)灰黑色的磷化顆粒。將這層磷化物顆粒收集起來干燥后并進行X射線衍射分析(XRD)。Mg浸泡在磷酸溶液中時，Mg表面發(fā)生很強的活性溶解，表面上大量的鎂溶解掉并形成一個腐蝕坑，并在腐蝕坑的表面上覆蓋了一層灰白色的磷化膜層。而在磷化液中，Mg表面除了形成一層灰白色磷化膜層外，表面并無明顯的腐蝕，灰黑色的顆粒應由磷化液中多余的磷化膜層堆積在表面形成。

Mg在磷化液中表面上灰黑色的磷化物顆粒的XRD分析結果如圖5所示。

圖5 Mg在磷化液中表面磷化顆粒XRD分析

由圖5 XRD分析結果可知，灰黑色的顆粒主要含Zn3(PO4)2.4H2O (hopeite)和Zn (hexagonal structure六方晶格結構)。這層含有Zn元素的表面磷化膜層，相對于在磷酸溶液中形成的磷化膜層，有較好的耐腐蝕性能。

3 結論

本文應用電化學測試及X射線衍射方法對Mg在磷酸及磷化液中的電化學行為進行了研究。研究結果表明鎂在磷酸溶液中呈現(xiàn)出較快的腐蝕速率。鎂在磷化液中較其在磷酸溶液中，呈現(xiàn)出更高的耐腐蝕性能。ZnO能有效改善增加Mg在磷酸溶液中的磷化行為。ZnO能提高Mg在磷酸溶液中的耐蝕性，其耐蝕性的提高與其在表面形成的磷化膜層有關。Mg在磷化液中形成的磷化膜層主要由Zn3(PO4)2.4H2O和Zn六方晶格結構組成，這層磷化膜，相對于在磷酸中的膜層相對致密，對金屬Mg基體提供了更好的防護能力。