镁合金的表面处理

镁合金的表面处理

镁合金的表面处理

刘祖明黎前虎

摘要：综述了镁合金的腐蚀机理及腐蚀防护研究的现状、进展与问题。重点介绍了压铸镁合金制品的表面特性、表面处理原理、工艺、应用实例及未来发展方向。关键词：镁合金腐蚀与防护表面处理

0 前言

以质轻和可回收为应用特点的镁合金，日益成为现代工业产品的理想材料，特别是汽车零部件的大量应用，电讯产品向轻、薄、短、小方向发展的需求，使得这种新兴材料的发展呈现极为乐观的前景。

随着现代科技的发展，曾经困扰镁合金产业的相关技术问题如压铸问题、回收问题已经相继得到解决，镁合金产品后段工序——表面处理技术亦取得重大进展，这使得镁合金的应用范围不断扩大，使用量也迅速增大，镁产业正以几何级数高速增长。

适当的表面处理能使产品具有保护性和装饰性，并可赋予某些特殊功能。对于活泼的镁来说，通过表面技术获得较高的装饰性和功能性肯定重要，而提高其防腐蚀性能则是现阶段最最重要的一面。

１镁合金的腐蚀与防护

1.1 镁的性质

镁元素符号Mg，原子序数为12，电子结构为2-8-2，标准电极电位很负（-2.36V），较易失电子而发生氧化反应，从而导致镁及镁合金的耐腐蚀性很差，在腐蚀性介质中很容易发生严重的腐蚀。镁合金自然形成的氧化膜疏松多孔，以MgO、Mg2+为主要成份的膜的致密度系数为0.8左右（<1），对基体的保护能力较差，不适用于大多数的腐蚀性环境。

1.2 镁合金的腐蚀方式

镁合金的腐蚀方式通常有两种情况：一是在一般环境中的腐蚀，称“一般腐蚀”或“环境腐蚀”，也称“化学腐蚀”，二是在原电池环境下产生的“电化学腐蚀”。暴露在干燥的空气中时镁合金表面会形成一层很薄的膜，这层膜在没水接触的情况下很稳定，此时就不会发生腐蚀现象。但在实际操作环境中可能会与水或水气接触，这时就会导致膜（表面）的颜色变深（从浅灰到深灰）。如果进一步暴露在液态水和空气中，就会继续跟空气中的CO2与H2O反应生成碳酸盐，使这层膜变厚。一般情况下这层膜足够稳定，具有一定的保护性，此时不需要作任何

处理亦可使用。例如汽车自动（刹车）闸外壳，就不需要外加保护措施。

当使用高纯度AZ91D时，也不需要保护措施。即使车与路面溅起的水接触，也不需要保护，因为这层膜在中性、碱性（或一般条件下）比较稳定，具有保护作用。

但是，如果在设计上存在有水进入（或残留）的问题，或者在使用过程中遇到含盐的环境（如海水），就会形成一个微电池环境，产生较为严重的电化学腐蚀，包括在中性、

碱性环境中都会产生类似的腐蚀。此时就需要一个良好的表面处理保护措施。

由上所知，电化学腐蚀是镁合金腐蚀的主要方式，在中性、碱性环境中，电化学腐蚀的原理如下（图一）：

图一电化学腐蚀的原理图

其化学反应原理如下：

Mg-2e=Mg2+ （阳极反应）

2H2O+2e=H2+OH-（阴极反应）

Mg2++2OH-=Mg(OH)2（腐蚀产物）

总反应为Mg+2H2O= Mg(OH)2+ H2

在上述反应中，镁作为阳极失去电子而腐蚀，在阴极释放电子产生氢气。通常情况下，阴极可能是外部与镁合金相接触的其它金属部件，也可能是合金元素或杂质元素，它们与镁合金基体形成原电池，诱发电极反应，产生电化学腐蚀。

1.3 镁合金的腐蚀形态

镁合金的腐蚀形态主要有以下几种：

（一）、电偶腐蚀：这是镁合金最易发生的一种腐蚀形态，镁基体与阴极相邻的局部区域通常会发生严重的腐蚀。

（二）、点蚀：在含有Cl—的非氧化性介质中，镁合金在自腐蚀电位下容易发生点蚀；在中性或碱性介质中，镁合金的腐蚀形态通常也是点蚀。

（三）、应力腐蚀：在含有Cl—的中性溶液甚至蒸馏水中，镁合金都有腐蚀开裂的倾向；在碱性介质中，当PH>10.2时，镁合金表现出良好的抗应力腐蚀的性能；在氟化物的溶液中，镁合金也有良好的抗应力腐蚀的性能。

（四）、晶间腐蚀：镁合金一般对晶间腐蚀不敏感，腐蚀不能够沿着晶界发展。

（五）、丝状腐蚀：在保护性有机涂层或阳极氧化膜下，由于腐蚀电池在镁合金基体表面的移动而产生丝状腐蚀。

1.4 镁合金与其它材料腐蚀性对比

20世纪80年代，镁合金材料开发取得了长足进展。人们发现Fe、Ni、Cu等杂质元素以及Fe与Mn的比例对镁合金耐蚀性的影响非常之大，为此开发了高纯度的新一代的压铸镁合金AZ91D等。高纯度镁合金的耐蚀性能提高了100倍，使其超出了其它与之竞争的材料，在不经保护的状态下即可满足大部分汽车应用的要求，甚至是暴露在冬季道路条件下。这一技术上的突破对后期压铸镁合金的发展至关重要，也是目前镁合金能够得到大量应用的重要原因。在耐盐雾腐蚀能力方面，大多数压铸镁合金牌号都已经超过了铝合金A380（如图二所示）。

1.5 镁合金腐蚀的防护技术

针对镁合金发生腐蚀的机理，目前镁合金腐蚀防护技术的研究工作主要集中在以下几个方面

1.5.1 零件设计（如图三所示）

一个好的保护措施要从一个好的设计开始。这是一个系统工程，从腐蚀防护的角度出发，一个好的镁合金零件设计应考虑下列因素：

（一）、不能让水或其它液体聚积在一起，使之形成原电池环境。

（二）、

边角应设计成圆弧形，尖锐的边角会降低保护作用。

1.5.２材料选择（如图三所示）：

产品设计中，各相邻零配件所用原材料的选择也是很重要的。既要保证其结构性功能不受影响，又要使两种材料间的电位差不大，方能保证不产生严重腐蚀现象。另一个要注意的问题是，零件之间的连结件及连结介质的材料与防腐蚀处理工艺也是要十分注意的问题。

图三镁合金腐蚀防护方法

下面列出了一些常用材料的电化学活性顺序（室温下，海水中），离镁越近则其与镁的相容性越好：

镁

镁合金

铝合金5000、30000、1100、6000

镉

铝合金2000

钢

13%镀铬不锈钢（活性的）

18-8不镀钢（活性的）

铝

锌

海军黄铜