镁合金的表面处理课件

镁合金的表面处理1镁合金表面处理及其功能镁合金零件常见之表面处理大致可分为﹕油与蜡之外表被覆﹑化学处理法﹑阳极氧化法﹑喷漆法﹑电镀法﹑气体/电浆氮化法﹑雷射合金化﹐而一般机械方法如抛光﹑擦光﹑滚桶研磨﹑及震动磨蚀法亦可使用表面处理方法使用选择所需考虑之因素：1.表面处理是否仅装饰或美观用途2.镁合金零件是否具备某种程度之保护特性或机械效益只强化。3.上述功能皆须满足

若镁合金零件之应用仅须面对风化间歇性之润湿﹐而不需有豪华美丽外观﹐则不需做任何表面处理﹐但有些表面处理具较复杂程度之涂装﹐可在长期严苛环境下保护零件。2表面处理之应用亦须考虑到整体经济成本效益﹐要选择最佳条件之表面处理﹐必须了解镁零件所处之环境条件﹐急镁零件表面处理之耐腐蚀行为及机械特性。镁金属表面处理最佳条件之决定因素包括可容忍之腐蚀程度及操作环境之严苛程度。压铸镁合金于汽车零组件应用﹐对严苛之盐雾暴露﹐及未做化学处理或被覆之电解腐蚀抑止效果﹐皆优于碳钢及压铸380铝材。而于油腊被覆﹑化学处理及喷涂﹐电镀技朮亦皆可满足装饰及保护需求。3镁合金表面处理及其功能镁合金表面可用化学法或电化学法做表面处理﹐这些被覆物可取代天然之氢氧化物(Mg(OH)2)或碳酸盐(MgCO3)被覆物﹐且具更佳之耐蚀性。这些表面处理对有机被覆物具更佳之兼容性﹐也可单独使用以抗拒一般性之暴露。化成处理后可应用有机被覆物做许多结构性之应用﹐优势喷涂前需做树脂封孔。所有镁合金表面处理中﹐铬酸盐被覆物可能最常被使用﹐除具中等程度之保护外﹐也可作喷漆底材﹐提供化学或机械之附着力。铬酸盐被覆物之抑制作用亦可提供永久性之附着性﹐当工件暴露在冷凝湿气中时﹐阻止碱性或氧化膜之形成。铬酸盐底材对重工业及海洋环境严苛暴露腐蚀亦具效益。4镁合金之阳极氧化与其它金属阳极氧化步骤流程大致类似﹐去污→活化→阳极氧化。碱性与酸性阳极氧化皆可行。但镁之阳极氧化不具着色效益﹐须阳极氧化配合有色之喷漆涂装。碱性阳极氧化须做后处理以提升喷漆之附着力﹐它比酸性阳极氧化更质硬及耐磨耗。酸性阳极氧化较具弹性﹐不易淬裂及剥落﹐对严苛环境为及佳之喷漆底材。5镁合金表面处理及其功能下表显示镁合金表面处理之功能与目的目的/效应功能表面处理清洗1改善表面2防止污染3焊接前之预处理4后续加工处理前之预处理1溶剂或碱液脱脂2酸洗3冲蚀(化学﹑动力﹑干式)4机械抛光美观着色光泽1阳极处理染色2喷漆3化成处理4电镀改善化学特性1保持外观2防止劣化3防止污染1阳极处理2喷漆3化成处理改善物理特性1改善硬度与耐磨耗性2电力绝缘与传导3热排斥与吸附4润滑1阳极处理/电镀2阳极处理/电镀3阳极处理/化成处理4阳极处理及润滑6镁合金之表面预处理

镁合金之表面预处理与其它金属处理一样重要﹐因为它会影响到随后之被覆制程于镁零件之制造过程中﹐一些污染物如油脂﹑氧化物或骯脏异物皆可能存在﹐此外化学处理后之残留杂质亦必须去除。一般镁合金零件之清洗制程可分为四种类别﹕即机械清洗﹑溶剂清洗﹑碱液清洗及酸洗﹐其中溶剂清洗﹑碱液清洗及酸洗亦被归类为化学清洗。这些方法可单独使用﹐亦可以组合使用﹐视工作状况而定﹐下表为镁合金使用之清洗制程说明﹕7清洗类别应用方法应用机械清洗钢刷﹐砂磨﹐喷沙﹐滚桶研磨快速去除重型氧化物被覆层及污染物之方法﹐喷沙珠击后应使用酸洗溶剂清洗清洗﹐蒸气脱脂﹐乳化浸渍清洗碱液清洗前去除过量油质﹐喷漆涂层前之预清洗碱液清洗热浸渍﹐电解清洗镁合金化学处理前最有效之脱脂法。可去除旧有之化学表面物酸洗浸渍法数种酸洗法皆适用于镁零件。8镁合金之机械清洗法（7种技术）

镁合金之机械清洗法包括研磨﹑粗抛光﹑干式及湿式磨蚀喷击清洗﹑钢刷清洗﹑湿式桶槽清洗及振动表面处理。1.研磨及粗抛光﹕带式研磨可用于去除压铸件毛边﹑表面缺陷或刮痕等﹐无表面污染物存在之危险性﹑亦不需特殊磨料。2.干式磨蚀喷击清洗﹕喷砂为镁合金最常使用之干式磨蚀喷击清洗法﹐许多压铸厂使用25或35AFS细粒之隧石细砂﹐也可利用小钢珠喷击。于传统操作状况下﹐2种方式均可得相同之满意结果﹐若喷击压力过大﹐可能造成表面之腐蚀﹐因为钢屑可能嵌入工件表面。任何干式磨蚀喷击后﹐皆须做酸洗以排除喷击之不良效应。93.湿式磨蚀喷击清洗﹕这是电镀前之表面处理步骤﹐可去除表面碳质化合物及厚重腐蚀产物﹐及去除剥推操作之残留喷漆。4.滚桶研磨﹕镁压铸件可利用湿式桶槽﹐振动桶槽﹐界面活性剂及表面处理配方去除表面污染物﹑碳质及非碳质之模具润滑剂﹐并平滑组件。溶液须连续流动过介质以阻止污染物之累积及组件表面可能之污染。滚桶研磨可作为高纯度镁合金零件之表面处理﹐及用于链锯﹑除草设备零件及动力手工具喷漆与之预处理及清洗。10

5.钢刷处理﹕镁合金可于现场用钢刷处理﹐以去除污染物再作喷焊。钢刷设备应加以调整使得足够压力施用于镁片上﹐设备之设计应使用其不致磨蚀到镁片﹐最终表面之平滑度与钢刷线材组成及粗糙度有关。6.振动表面处理﹕结合磨平或擦光之清洗以去除氧化物﹑污染物﹑毛边及铸件外皮﹐陶瓷及其它介质皆可加以使用﹐视零件表面状况及所需表面处理而定。勿使用酸添加物﹐易侵蚀镁之表面。适当之清洗与干燥甚为重要。117.抛光与擦光﹕可作为镁合金电镀﹑阳极氧化及喷涂前之预处理。镁压铸件抛光时应尽量减少磨除量﹐以保持铸件外层薄而无孔质层。标准件抛光可使用磨轮及皮带﹐可去除粗糙表面﹑分模线﹑及镁合金零件表面之缺陷。可使用Al2O3﹐及SiC磨料﹐其粒径大小视表面粗糙度﹐及最终所需之表面处理而定。游离铁及其它重金属微粒不可用做镁合金抛光之磨料﹐因为这些金属若嵌入镁合金表面会引起腐蚀﹐或在酸洗时造成孔洞。镁合金亦可用硅藻土化合物或Al2O3于缝合轮作平滑光泽表面处理抛光。对着色抛光可用干石灰石化合物﹐抛光化合物若含有游离铁或其它重金属磨料不可使用。抛光或擦光后﹐在有机涂装之前应作硝酸铁光泽酸洗﹐硝酸铁光泽酸洗可生成钝化表面﹐增加被覆物之附着性及耐蚀性﹐也可以阻止被覆物干燥后发生污点。12镁合金抛光与擦光步骤13化学清洗镁合金化学清洗包括蒸气脱脂﹑溶剂清洗﹑乳化清洗﹑酸洗及碱洗。1.溶剂清洗及蒸气脱脂可去除油质﹑成形润滑剂﹑腊﹑淬火油﹑腐蚀保护油﹑抛光﹑擦光化合物﹑溶解性土壤及污染物。固态微粒﹐如加工粉尘及碎屑可用溶剂清洗加以去除﹐因为它可溶解附着于零件的油脂﹐而这些油脂使这些微粒黏附在零件上。这些清洗行为必须于喷涂﹑电镀﹑化学处理及机械加工或成形前后进行。用于其它金属化学清洗之方法及设备同样可使用于镁金属﹐三氯乙烯﹑过氯乙烯是最常用的溶剂﹐二氯甲烷可有效自压铸件表面去除过量之有机树脂嵌入物。2.乳化清洗可用以去除油脂及抛光化合物。乳化清洗剂可为中性或碱性﹐pH值7以上﹐以免腐蚀镁合金镁合金表面。加水及溶剂使用前宜加以测试﹐以避免可能之金属孔蚀现象。143.酸洗﹕

酸洗可去除紧密附着于镁合金表面之污染物﹑或是不溶于溶剂与碱液之污染物﹐这些污染物包括有色天然氧化物﹐嵌入之砂或铁﹑铬酸盐被覆物﹑焊接杂质及燃烧之润滑剂等。酸洗处理之选择应考虑须去除之污染物﹐处理之镁合金类别﹐尺寸变形量可容许限度﹐及所需之表面外观。选择适当之酸洗法可避免表面形成状之黑色污染物。

15镁合金表面处理除改变金属表面之耐腐蚀性﹐也可提供装饰性之外观﹐利用硝酸铁﹐醋酸﹐硝酸盐或磷酸清洗皆可达到目的。硝酸铁酸洗会在表面形成氧化铬膜﹐使表面钝化而增强其耐腐蚀性。醋酸-硝酸盐及磷酸酸洗可作为一种螫合剂﹐自镁合金表面有效去除其它金属杂质﹐阻止局部电流腐蚀。下表为镁合金之酸洗处理法。16镁合金之酸洗处理法处理液主要应用金属移除量μm组成物浓度g/l操作温度(℃)浸渍时间(min)桶槽类别铬酸去除氧化物﹐助溶剂腐蚀产物0CrO318021-1001-15不锈钢﹐1100铝﹐铅硝酸盐光泽表面﹐金属之耐蚀及压铸件之表面处理8CrO3NaF

Fe(NO3).9H2O183.54016-38¼-3316不锈钢PE﹐乙烯氢氟盐表面处理之表面活化350%HF23021-32½-5316不锈钢﹐铅﹐橡胶硝酸硝酸铁之预处理13-2570%HNO35021-321/5-1/2不锈钢醋酸-硝酸去锈﹐改善金属耐蚀性13-25CH3COOHNaNO31925021-27½-13003铝﹐陶瓷﹐铅乙二醇-硝酸铁去除铁锈或表面氧化物﹐改善耐蚀性12-2570%CH2OHCOOH70%HNO3NaNO3230404016-49½-1橡胶铬酸-硝酸盐去除铁锈﹐燃烧石墨﹐焊接前处理13CrO3NaNO31803021-323不锈钢﹐铝﹐铅﹐橡胶﹐乙烯铬酸-硫酸点焊前预处理5CrO396%H2SO41800.421-323不锈钢﹐1100钢﹐陶瓷硝酸-硫酸去除砂铸件之喷砂痕迹5070%HNO396%H2SO4772021-321/6-1/4陶瓷﹐橡胶玻璃硫酸去除砂铸件之喷砂痕迹50NaOH96%H2SO480-1203021-2721-3230sec1/6-1/4碳钢陶瓷橡胶铅玻璃磷酸去除砂铸件之表面析离物13-2585%H3PO4425~86880~12021-2710-15secPVCPE纤维强化塑料174.碱洗﹕镁于喷涂前﹑电镀及化学处理前最常用碱液清洗﹐它也可自镁零件去除铬酸盐被覆物。大部分之镁合金不易被碱侵蚀﹐除了焦磷酸盐及聚磷酸盐﹐这些碱类甚至于pH大于12时亦不致侵蚀镁合金。用于低碳钢之重碱液清晰剂亦适用于镁﹐一般浸渍清晰液包括氢氧化钠﹑碳酸盐﹑磷酸盐﹑铬酸盐或其它组合﹐也包括天然树脂或合成界面活性剂为乳化剂。阴极清洗利用工件作为清洗液之阴极﹐使用6V之直流电﹐电流密度为1-5A/dm2。阳极清洗易形成不必要之氧化物或氢氧化物被覆物﹐故不建议使用。长时间之阳极清洗也容易形成镁零件之孔蚀。镁零件浸渍或电解清洗简单盐浴配方如下表﹕18镁合金之碱液清洗法19镁合金之电镀表面处理

电镀一种应用电化学之作业而达到金属沉积作表面处理法,是利用直流电源使电流通过电解槽之阳阴极﹐使电镀溶液中产生电子移转及氧化﹑还原﹐依不同目的而使选择性的金属附着力沉积于阴极基材上﹐借制程条件之控制以达到改变基材表面或尺寸修补等目的。

镁及其合金电镀表面处理之基本步骤可包括﹕ 1.表面调质

2.活化

3.锌浸渍被覆

4.铜打底

5.标准电镀过程202122镁合金之无电镀镍处理过程无电镀制程乃不导入直流电流作用于含有欲镀金属离子之水溶液中﹐于适当之控制操作条件下﹐利用催化现象与还原剂使水溶液中之金属离子经化学反应而还原成金属所进行的一种连续性﹑自身具催化性之表面被覆物处理法。一般无电镀镀液由下列成分组配而成。1.金属离子﹕镀层金属来源。

2.还原剂﹕将金属离子还原成金属。

3.催化剂﹕使基材表面具催化性。

4.错合剂﹕防止氢氧化物沉淀﹐调整析出速率﹐防止镀液分解。

5.缓冲剂﹕控制pH值于操作范围内。

6.润滑剂﹕使表面作用良好。

7.光泽剂﹕使镀层具良好光泽性。

8.安定剂﹕吸着微粒杂质防止镀液自然分解﹐使镀液安定﹐延长镀液寿命。23

1.还原剂之氧化还原电位须足够﹐以还原金属离子使金属析出。

2.镀液须安定﹐于催化性之镀件表面接触时可迅速开始作用﹐析出金属镀层。

3.析出速率能被控制﹐pH值﹑温度能调节析出速率。

4.析出金属须具催化作用﹐进行自身催化电镀﹐使镀层连续成形﹐以达所需之镀层厚度。

5.镀液反应生成物不妨碍镀液功能﹐使镀液寿命长久。

6.原料成本须便宜。无电镀液之配方要点﹕镁合金之无电镀镍制程可分为下列步骤﹕

1.表面调质。

2.化学浸蚀或锌浸渍加铜打底。

3.镀无电镀镍。

4.钝化或标准电镀制程。24镁合金之无电镀镍处理制程:2526镁合金之阳极氧化处理 镁合金阳极氧化为及佳喷漆底材质量﹐并具良好之耐腐蚀性﹐它也具极佳硬度及耐磨耗性。DOW17阳极氧化可应用到所有类别与形态之镁合金﹐其制程乃利用含磷酸盐﹑氟化与铬酸盐离子组合之酸电解质水液。它是一步处理过程而得到2种不同厚度之被覆物﹐较薄层被覆物可应用于被喷涂被覆物﹐为淡灰色到淡绿色﹐而较厚之深绿色被覆物于未喷涂状态即可增强耐腐蚀性与耐磨耗性﹐其缺点乃当镁处于盐苛环境下易剥落。阳极氧化未喷涂处理之被覆物的耐腐蚀性可浸渍于四硅酸钠溶液中封孔而以改善。而利用底粘度表面张力及缓慢干燥速率之有机物表面处理封孔﹐亦可改善其剥落特性。深绿色厚度被覆物之厚度约0.0015寸。阳极氧化处理可利用交流电﹐被覆物之结果与特性大同小异﹐一般商业化设备皆使用交流电﹐因为设备成本便宜。直流电被覆物之优点不甚明显﹐应用直流电时后层被覆物表面较平滑﹐对锻件产品具耐磨耗性﹐其处理时间较利用交流电少30%。27鎂合金之陽極氧化處理若有金属镶嵌物时﹐最好镁零件阳极处理完毕后再插入镶嵌物。若镶嵌物必须于镁零件所处之阳极氧化前就镶入﹐则在阳极处理时必须将镶嵌物遮蔽﹐除非镶嵌物材质是铝合金﹐因为大部分铝合金于溶液中易极化﹐使得镁合金可阳极氧化。DOW17阳极氧化之处理流程如下﹕28另有一种TAGNITE的阳极氧化制程﹐TAGNITE阳极氧化被覆制程包括二步骤：首先镁合金浸渍于加热之含氟离子溶液产生简易化学反应﹐生成之薄膜含有MgF2及MgO﹐可作为第二步骤电解阳极氧化之底层。电解阳极氧化可利用高压整流器供应AC/DC记号到电化学槽体。于阳极氧化制程中﹐镁合金零件于电解中为阳极﹐不锈钢为阴极。电解制程可同时使基材金属氧化﹐且使含硅酸盐之电解质被覆到镁合金。大于150V高压﹐可形成火花被覆制程。在1-2分种内﹐电流密度为15A/ft2,电压槽电压增加到150-190V﹐火花被覆甚为明显。火花形成主要原因乃使用之电压大于第一步化学反应形成及随即电解反应被覆层之介电继电电压﹐火花所生成之局部温度可高达1000℃﹐这种高温可使氧化物与硅酸盐沉积于金属表面﹐虽然火花形成之热量局限于表面﹐溶液之电阻热须有一冷却系统使电解质温度维持在10-20℃之间。29三种镁合金阳极氧化被覆制程之说明:阳极氧化于固定电流下进行﹐电压持续上升以维持所需之电流密度﹐被覆物厚度与电阻增加时﹐终极电压随盐浴组成之合金及电流密度而变﹐但对任何合金﹐每单位面积之电流数则保持不变。30镁合金之喷漆与涂装表面处理涂装之目的乃给予美观与被涂物金属之保护﹐自耐腐蚀性观点看来﹐于涂装前处理上﹐如何使表面钝化极为重要﹐以遮盖方法防蚀处理﹐为强化透水率﹑透气性﹑附着力﹑膜厚﹑需选择良好树脂很重要。就美观观点来看﹐被涂物表面须平整﹐涂装前之表面调整(机械研磨﹑化学抛光)﹐成型时表面的细度极小化(热水皱纹﹐热水流痕﹐铸件之表面粗糙度)尽可能地作成平滑表面极其重要。作为塑料对与表面平滑之方法包括﹕ 1.为附与表面流动性﹐调整表面张力。

2.依据素材状态有必要利用研磨剂。

3.针孔﹑孔穴与表面凹凸不同﹐为铸件内部缺陷﹐要和表面调整所不同之技朮角度来处理。31镁合金零件之喷漆涂装表面处理与其它金属类似﹐必须有一良好之喷漆底层﹐镁喷漆前应有适当机械与化学处理之清洁表面。底漆层﹕镁成功之喷漆表面处理与选择理想之底层漆关系甚大﹐镁喷漆附着性之品质深受镁金属形成自我保护层之碱性所影响。若这层碱性保护不是太厚或太陈旧﹐可提供良好之机械附着性。于干燥环境下﹐喷漆对碱性层有良好之附着性﹐并可维持适当之寿命。当长期暴露在严苛腐蚀条件下﹐在镁零件使用对碱性敏感的喷漆涂层之剥落及全部破坏。短期或间歇性的暴露在相同严苛环境﹐剥落不甚明显﹐因为碱性碳酸镁于金属镁上形成﹐碳酸镁层易脱水形成复杂胶结结构﹐可耐腐蚀环境下之湿气。乙烯基﹐环氧树脂﹐醇酸树脂及硝化纤维﹐聚酯类之耐碱性键结底漆层可加以使用﹐而于实际应用上PolyvinylButyral及Epichlorohydrin-bisphenol树脂可提供镁底漆有效之涂层。底漆层之烘干硬化可改善耐碱性及附着性。许多传统底漆均可用于镁合金﹐但其磷酸含量须降低75%以阻止气泡发生。用于其它金属之传统底漆层可能不适用于镁﹐欲使用须经适当测试﹐最好在实际之操作条件下测试﹐以证明其适用性。大部分用于镁合金之底漆对钢和铝之附着性亦佳32面漆层考虑之原则﹕ (1)与底漆层之兼容性。(2)操作条件与表面处理设备适用性能之配合。(3)暴露在操作条件下时﹐能提供所需之保护。成功应用于镁面漆涂层系统包括醇酸树脂﹑环氧树脂﹑环氧—聚酯树脂﹑压克力及PU被覆物。镁面漆涂层可利用静电被覆法﹐特别是使用环氧树脂或环氧—聚酯粉末时。它们可成功的应用于铬酸及磷酸化成处理﹐除可提供良好之耐蚀性﹐也可提供一高韧性﹑耐冲击被覆层。电着涂装(ElectrophoreticPainting)亦可使用于镁合金。较早是利用阳极电泳将底漆或单层面漆喷涂于镁合金零件上﹐零件可浸渍到稀释水溶解树脂桶槽中作为阳极﹐于70-300V电压下通电﹐进行底漆及面漆之喷涂。后来发展出阴极电泳。阳极电泳和阴极电泳均可提供传统涂装方式所不易达成的连续且厚度均匀之涂层﹐但阴极电泳更可钝化镁合金加强耐腐蚀性。阴极电泳比传统喷涂系统对深孔及复杂表面零件之喷涂可得更均匀效果﹐但无法解决潜在之电解腐蚀问题。且由于涂层甚薄﹐用于过度表面粗糙﹐粉状被覆物及含助熔剂及铁硅有害污染物之镁压铸件可能提早破坏﹐阴极电镀被覆物用于高质量铸件可得极佳性能。面漆层﹕33镁合金喷底漆及面漆前使用热固性环氧树脂封孔﹐可改善阳极氧化及铬酸盐化成处理之耐蚀性﹐这对压铸件或不同金属镶入物成组件结合时特别有效。CibaGeigy生产之Araldite985E及597树脂可做良好之封孔剂﹐这2种环氧树脂经混合﹐再利用6%之Diacet-oneAlcohol及34%Toluene及10%Ethylacetate调薄到低黏度﹐其处理如下﹕ (1)零件加到