镁合金被誉为21世纪理想的电子产品壳体和汽车构件的替用材料, 在航空工业、汽车工业和电子通讯工业中得到广泛的百富策略白菜网[1,2].但镁合金是极其活泼的金属, 化学稳定性差, 标准电极电位很负 (-2.36 V SCE) [3], 耐蚀性极差, 即使在室温下也会与空气发生反应而被氧化形成氧化膜.镁合金的自然氧化膜尽管对基体有一定的防护作用, 但是该氧化膜疏松多孔, 在潮湿空气、含硫气氛和海洋大气等大多数腐蚀环境中易发生严重腐蚀, 以上缺点大大限制了镁合金的百富策略白菜网.

微弧氧化处理技术是近年来兴起的一种在有色金属表面通过微区弧光放电作用原位生长陶瓷膜层的表面处理方法[4,5,6].镁合金经过微弧氧化处理耐蚀性大幅度提高.电解液的组成对镁合金微弧氧化陶瓷膜的生长和性能有很大影响.电解液的组成不同, 制得的陶瓷膜的颜色、厚度、化学组成、结构以及耐蚀性都不同.目前, 人们研究多为单一的电解液体系中生成陶瓷膜的性能评价[7,8].本文选取3种不同的电解液体系, 在镁合金上微弧氧化制备了陶瓷膜, 研究了电解液配方对膜层的结构与耐蚀性的影响.

镁合金型号AZ91D, 其化学成分为:Al 8.3 %, Zn 1.0 %, Mn 0.15%, Si 0.1%, Fe 0.005%, Cu 0.03%, 余量为Mg.

试验采用自行研制的5 kW交流微弧氧化装置进行表面处理, AZ91D型镁合金试样作为阳极, 不锈钢电解槽为阴极.反应过程中通过循环冷却使电解液温度保持在20~30 ℃, 电流密度10 A/dm2, 频率100 Hz.

利用CHI1140电化学分析仪在3.5%NaCl溶液中测量试样的腐蚀电流及阳极扫描曲线, 来评价膜层的抗腐蚀能力.利用日本理光D/max B自动X射线衍射仪 (铜靶, K0射线) 研究表面相组成.利用日本理光S-4700 型扫描电子显微镜 (SEM) 观察膜层的截面形貌并对陶瓷膜元素成分进行分析.

在不同电解液体系中进行微弧氧化得到的氧化陶瓷膜的厚度不同, 陶瓷膜的生长与时间的关系曲线见图1.

从图1可以看出, 在3种体系中均能生成微弧氧化陶瓷膜, 但是随着时间的增长所得到的陶瓷膜的厚度延大.微弧氧化时间相同时, 在偏铝酸钠体系中生成的陶瓷膜最薄, 硅酸钠体系中生成的陶瓷膜最厚.但从图1可以看出, 当反应时间为20 min时, 混合体系中生成的陶瓷膜最厚.另外, 通过对微弧氧化陶瓷膜表面进行观察发现, 在硅酸钠体系中生成的陶瓷膜表面较为粗糙, 而在混合体系中生成的微弧氧化陶瓷膜则很光滑.

为了分析不同体系所得氧化膜微观结构的不同, 对不同体系中相同反应时间内所得膜层进行扫描电镜分析, 结果如图2所示.图2显示, 不同电解液体系所得的陶瓷膜层截面形貌和组成不同.偏铝酸钠体系中生成的陶瓷膜有明显空洞, 缺陷较大, 其中氧、铝元素含量高于基体, 硅元素增量很少, 几乎与基体相当;硅酸钠体系生成的陶瓷膜较致密, 氧、硅元素含量高于基体, 铝元素含量没有变化, 与基体相当;混和体系生成的陶瓷膜最致密, 氧、铝元素含量高于基体, 而且铝元素在膜的内层高于外层含量, 硅元素则在膜的内层含量较高, 外层与基体含量基本相当.3种体系中, 膜层内的镁元素含量低于基体.

为了分析膜层的相结构, 对不同体系中相同反应时间内膜层进行X射线衍射分析, 其结果见图3.对图3的分析表明, 偏铝酸钠体系生成的陶瓷膜主晶相为MgO 和尖晶石结构的MgAl2O4, 其中MgAl2O4含量较少.硅酸盐体系生成的陶瓷膜主晶相为MgO 和尖晶石结构的Mg2SiO4, 其中Mg2SiO4的含量较高.混合体系生成的陶瓷膜主晶相为MgO 和尖晶石结构的MgAl2O4, 并含有少量Mg2SiO4.由于膜层较薄且不致密, 同时还发现了基体Mg的衍射峰.以上分析与镁合金陶瓷膜横截面的O、Mg、Al、Si元素的线扫描结果相符合.

利用CHI1140电化学分析仪在3.5%NaCl溶液中测量试样的腐蚀电流及阳极扫描曲线, 得到不同的电解液体系对微弧氧化陶瓷膜耐腐蚀性的影响, 其结果如图4、5所示.

由图4、图5可以看出, 在3个不同体系的电解质溶液中发生微弧氧化反应所得陶瓷膜的耐腐蚀性不同, 但有氧化膜的试样的耐腐蚀性明显好于基体.偏铝酸钠体系中所得的陶瓷膜腐蚀电流较大, 阳极扫描曲线面积虽然小于基体, 但是比其他两个体系都大;硅酸钠体系中所得的陶瓷膜腐蚀电流较小, 阳极扫描面积小于偏铝酸钠体系;混合体系中所得的陶瓷膜腐蚀电流和阳极扫描曲线的面积都是最小.所以, 对于耐腐蚀性来说, 混合体系可以得到耐腐蚀性最好的微弧氧化陶瓷膜.

1) 微弧氧化时间相同时, 在偏铝酸钠体系中生成的陶瓷膜最薄, 硅酸钠体系中生成的陶瓷膜最厚, 但表面较为粗糙, 而在混合体系中生成的微弧氧化陶瓷膜则很光滑.

2) 3个体系中生成的陶瓷膜中都含有MgO相, 偏铝酸钠体系陶瓷膜中含有尖晶石相的MgAl2O4, 硅酸钠体系中含有尖晶石相的Mg2SiO4, 混合体系中则这两种物质都存在.

3) 在3个不同体系的电解质溶液中, 微弧氧化反应所得陶瓷膜的耐腐蚀性不同, 混合体系可以得到耐腐蚀性最好的微弧氧化陶瓷膜.