镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术

1、方欣欣，曹岳斌，梁伟，李清，万红，曹献龙：镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术第12卷第2期重庆科技学院学报自然科学版）2010年4月#-方欣欣，曹岳斌，梁伟，李清，万红，曹献龙：镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术#-方欣欣，曹岳斌，梁伟，李清，万红，曹献龙：镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术方欣欣曹岳斌梁伟李清万红曹献龙重庆科技学院，重庆401331）摘 要：镁合金作为最轻的工程材料之一，具有比强度高、电磁屏蔽性好等优点，但耐蚀性差却成为制约其发展的主要问题。解决该问题的一种重要手段就是对镁合金进行表面处理。阐述了镁合金的常规表面处理技术及硅烷处理技术的原理、

2、特点、工艺过程及影响因素，并对其发展进行展望。#-方欣欣，曹岳斌，梁伟，李清，万红，曹献龙：镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术收稿日期:2009-09-28基金项目：重庆科技学院第四届大学生科技创新训练计划项目作者简介：方欣欣1987-）女，陕西富平人，重庆科技学院冶金与材料工程学院金属材料工程专业2006级学生关键词：硅烷化处理；镁合金；耐蚀性中图分类号：TG174文献标识码：A镁合金作为 21世纪的绿色工程材料”具有重量轻、比强度高、铸造性优良、电磁屏蔽性好、导热性 较强及可回收生产等优点。它的应用已遍及汽车制造、航空航天、光学仪器和计算机制造业等领域。然而，由于镁合金化学活性极高，所以易

3、与空气中的氧气发生反应而生成疏松多孔、不致密的氧化膜，而该氧化膜对金属基体起不到有效的保护作用；此外，当镁合金和大多数其他金属材料接触使用时，由于存在较大的电位差，容易发生电偶腐蚀 。镁合金材料的这些缺陷大大限制了其应用口。针对该问题，国内外学者开发了许多适用于镁合金防护体系的表面处 理技术，如化学转化、阳极氧化等工艺 。当前比较流 行的环保型硅烷化处理技术也逐渐地被引入到镁合 金的表面处理领域中。1镁合金常规表面处理技术1.1 化学转化化学转化处理是使金属工件与化学处理液相接 触，通过金属与处理液发生化学反应 ，在金属表面形 成由氧化物或金属盐构成一层薄膜。其中用于镁合金的工艺是 DOW7工

4、艺。化学转化工艺需用的设备简 单，投资少，容易操作，成本低，只要是电解液可以到达 的表面，都能够获得厚度均匀的转化膜。但化学转化工艺材料适应性窄，不同的基体应采用不同的工艺。1.2 阳极氧化阳极氧化是利用电解作用使金属表面形成氧化文章编号：1673-1980 2010）02-0123-03膜的过程。该技术产生于20世纪20年代，1951年以后HAE和DOW17工艺的相继岀现才使阳极氧化 技术可用于镁合金防护处理幻。阳极氧化膜具有与金属基体结合力强、电绝缘性好等优点；但是阳极氧化 设备投资大，电解液温度上升快，需配备大功率冷却设备，氧化电流效率较低，能耗大，成本高。1.3 金属镀层镁合金表面的金

5、属镀层可以使用化学镀、电镀获得。镁合金电镀比较典型的工艺有 DOW氏浸锌 工艺和 Norsk Hydro氏浸锌工艺 厲。电镀和化学镀所 需设备投资少，而且在镁合金表面获得的涂层具有 导电性和电磁屏蔽性等特点。但该方法前处理工艺多，且溶液中常常使用了对环境和人体有害的物质，加工大工件比较困难。1.4 热喷涂热喷涂 是通过火焰、电弧或等离子体等热源, 将线状或粉状的材料加热至熔化或半熔化状态并 加速形成高速熔滴，喷向基体并形成涂层，可以对材料表面进行强化，提高其耐磨和耐腐蚀等性能。在镁合金表面喷涂铝加热扩散，使表面涂层的铝和次表面层中的镁相互扩散，形成3-Mg 17Al12,同时消除了基体与喷涂层

6、间的孔隙，达到了封闭涂层的效果，有 效地提高镁合金表面的耐腐蚀性能4:。1.5 物理气相沉积物理气相沉积（PVD）是在真空条件下，借助物理方法将固态的镀料转化为原子、分子或者离子态的气相物质后，再沉积于基体表面从而形成固体薄 膜。近年来，国内外已相继开展了镁合金表面制备 PVD膜层的研究。霍宏伟等人通过磁控溅射在 AZ91D镁合金表面沉积了铝膜层,并进行了真空退火处理。Hikemet Altun等53人研究发现，镁合金表面 直流磁控溅射含AlN和TiN的薄膜均有效地改善了镁合金的耐蚀性。2硅烷化处理技术2.1 硅烷化处理技术基本原理硅烷化处理技术是以有机硅烷为主要原料对金 属或非金属材料进行表

7、面处理的过程。对于金属硅烷化的成膜机理，人们普遍认为化学键理论是最接 近实际的理论，该理论将整个过程分为四步：（1）与Si相连的3个SOR基水解成 一SOH;2）SiOH间脱水缩合成含一Si OH的低 聚硅氧烷一Si O Si;3） 低聚物中的 一Si OH与基材表面上的0H 形成氢键;4）加热固化过程中伴随脱水反应而与基材形 成共价键一Si O Me连接。但在界面上硅烷的硅羟基与基材表面只有一个键合，剩下两个 一Si OH或者与其他硅烷中的一Si OH缩合，或者呈游离状态 。据此机理，镁合金表面上硅烷成膜过程的示意 图如图1所示。氢键化物 化物（a）（b）a）代表凝聚前，氢键富集的界面；b）

8、代表凝聚后，Si-O-Si及Si-O-Me 共价键的形成其中Me代表Mg）图1金属表面上硅烷成膜过程示意图2.2 镁合金表面硅烷化处理工艺及影响因素2.2.1镁合金表面硅烷化处理工艺1）配制一定浓度的硅烷溶液，在一定温度下水解。通过搅拌调整pH值，在线检测电导率变化，从而确定水解是否达到平衡，以确定采用硅烷溶液进行表面处理的最佳时间点。2）对镁合金基材进行前处理，包括除油、除锈、打磨、碱洗，前处理彻底后，将硅烷水解溶液涂覆于 基体上，在烘箱内加热固化成膜。2.2.2烷化处理的影响因素1）pH值。pH值主要通过影响硅烷溶液的水解与缩聚反应速率 ，进而影响硅烷膜的性能，较一致的认为酸性和碱性条件下

9、的有利于硅烷的水解反应，而碱性条件似乎更能促进缩聚反应的进行6 3。2） 硅烷成膜的固化温度和时间。当金属样品浸泡在硅烷溶液中时，硅烷的沉积速度很快，开始所形成的膜层是以氢键的方式存在，如图1 a）所示，抗水解能力、疏水能力较差，需要进一步脱水形成如图1 b ）中的共价键结构。科学家们研究发现对沉积膜层施以适当的温度可以加速这一过程。3） 硅烷溶液的浓度。一般认为硅烷膜随硅烷溶液浓度升高而增厚，从而提高工件耐蚀性，但硅烷浓 度太高会促进硅烷溶液的絮凝而使其失效，因此需同时考虑处理件的耐蚀性和溶液的稳定性。2.3 硅烷膜层性能检测常用手段1）红外光谱测试。采用红外光谱判定分子中可能的基团，检验膜

10、层是否生成及其成分。张津等73人利用红外光谱技术对AZ31B镁合金硅烷膜进行了检测，发现了 SiO Si的伸缩振动特征峰。2） 划痕扩展试验。采用划痕扩展试验，可以判 断硅烷膜层质量好坏 。沿试样的75°角划穿基体，将 有划痕的试样置于盐雾箱进行盐雾处理，经过一定 时间，取岀擦干后置 2h，用胶带沿试样角度 45°拉, 划痕越宽腐蚀越严重，膜层质量越差。3 ）盐雾试验。盐雾试验是考察涂层防护性能和 预期使用寿命的最为经典的实验方法。用刀具在涂层上划一深达金属基体的划痕，将样品斜置于盐雾箱中进行喷雾腐蚀，定期检查硅烷涂层的起泡及涂 层下金属基体的锈蚀情况。4） 电化学阻抗谱技

11、术。电化学阻抗谱等技术可用于研究硅烷膜层下基材腐蚀与失效情况。徐以兵等83人利用EIS技术对镁合金硅烷化膜层测试，得出经各种浓度处理过的镁合金的低频阻抗值均大于 空白样，说明经硅烷化处理后镁合金的抗腐蚀性能得到了显著提高 。3结语镁合金的表面处理手段较多，但多存在环保问题。作为一种环保型新技术，镁合金表面硅烷化处理技术虽然还不够成熟，但已有越来越多的人关注这项技术并进行了深入研究。相信在不久的将来，随着这个工艺的完善，镁合金的性能优势将会在新 的领域里发挥出重要的作用。参考文献1 侯彬.镁合金防腐蚀表面处理研究进展J.电子机械工程，2008,24 4) 42.2 Survila E.Moder

12、n AnodizingJ.Trans.lMF,1984,62:45-47.3 Beari F, Brand M, Jenkner P. Organofunctional Alkoxysilanes in Dilute Aqueous Solution:New Accounts on the Dynamic Structural Mutability J. J. Organomet. Chem, 2001,625:208.4 Sebralla L, Adler H J, Bram C. Method for Treating Metallic SurfacesP. CA Pat: 2275729

13、,1998:203-204.5 Hikemet Altun, Sadri Sen. The Effect of DC Magnetron Sputtering AlN Coatingson the Corrosion Behavior of Magnesium Alloys J. Surface and Coatings Technology, 2005,197:193-200.6 Gray J E, Luan B. Protective Coatings on Magnesium and Its Alloys-a Critical Review J. Journal of Alloys an

14、d Com- pounds,2002,336:88-113.7 张津，吴超云，黄福祥，等.AZ31B镁合金表面硅烷处理研究J.中国腐蚀与防护学报，2008,28(3):146-147.8 徐以兵.铝合金和镁合金的表面硅烷化处理研究D.湖南：湖南大学,2008.125-方欣欣，曹岳斌，梁伟，李清，万红，曹献龙：镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术#-方欣欣，曹岳斌，梁伟，李清，万红，曹献龙：镁合金表面常规处理与硅烷化处理技术Conven ti onal Treatme nt Tech no logy and Sila nizatio n Tech no logyfor the Surface of

15、 Magnesium AlloyFANG Xi n- xinCAO Yue-b in LIANG Wei LI Qi ng WAN Hong CAO Xia n-lo ngChongqing Uni versity of Scie nee an d Tech no logy ,Ch ongqing 401331)Abstract : As one of the lightest engineering materials, magnesium alloy has extensive application prospect for its characteristics, such as hi

16、gh specific strength，good electromagnetic shielding property. However，poor corrosion resistancehasbeen a problem to restrict its further development and application. At present, many kinds of surface treatme nt tech niq ues are developed for magn esium alloys to improve its corrosi on resista nee. In this paper, conven tio nal treatme nt tech no logy and sila ni zati on tech no logy for the surface of ma