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技術(shù)交流

提高鎂合金材料耐腐蝕性能的五大有效途徑！

時(shí)間：2023-02-15 12:15:56 點(diǎn)擊次數(shù)：1011

隨著我國(guó)對(duì)鎂合金研究的不斷深入，在鎂合金合金化設(shè)計(jì)、塑性變形等技術(shù)研究方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)了一系列高強(qiáng)、導(dǎo)熱、耐熱等鎂合金。因此，如何提高鎂合金的耐蝕性已成為鎂合金廣泛應(yīng)用必須解決的問(wèn)題。

鎂合金主要腐蝕類(lèi)型

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鎂合金的全面腐蝕反應(yīng)通常與水發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致鎂的溶解，同時(shí)形成了六方結(jié)構(gòu)的氫氧化物膜，并產(chǎn)生氫氣，鎂離子和氫氧根離子在晶體結(jié)構(gòu)中呈交替排列，造成膜的基底層易開(kāi)裂。鎂合金全面腐蝕產(chǎn)物隨著腐蝕環(huán)境與鎂合金化學(xué)成分的不同而發(fā)生變化。

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局部腐蝕的形式主要有絲狀腐蝕、縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕。氧濃度差電池驅(qū)動(dòng)是絲狀腐蝕的主要因素，其頭部和尾部的電勢(shì)差在0.1~0.2 V之間。對(duì)AZ91鎂合金的研究表明，點(diǎn)蝕和絲狀腐蝕是其早期腐蝕的主要特征，而且最初的點(diǎn)蝕會(huì)導(dǎo)致絲狀腐蝕。鎂合金的點(diǎn)蝕主要在表面的活性點(diǎn)上發(fā)生，而且電蝕一旦發(fā)生，會(huì)有向合金內(nèi)部發(fā)展的趨勢(shì)。

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鎂具有較低的電極電位，當(dāng)與陰極接觸時(shí)極易發(fā)生電偶腐蝕，通常情況下，陰極是與鎂合金接觸的其他金屬材料，或者鎂合金內(nèi)部的第二相和雜質(zhì)元素，分別稱(chēng)為外部電偶腐蝕和內(nèi)部電偶腐蝕，如下圖所示。Fe，Ni，Cu等元素具有低氫過(guò)電位，通常充當(dāng)高效陰極，在鎂合金中會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電偶腐蝕。

電偶腐蝕示意圖

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在含鉻酸鹽、硫酸鹽等腐蝕環(huán)境中，鎂合金同時(shí)受到內(nèi)部與外部的應(yīng)力作用時(shí)，鑄造鎂合金，特別是Mg，Al系鑄造鎂合金，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力作用下表現(xiàn)出極強(qiáng)的應(yīng)力腐蝕敏感性，而且應(yīng)力腐蝕的存在又會(huì)大幅降低構(gòu)件的服役性能。

影響鎂合金耐蝕性的因素

影響鎂合金耐蝕性的主要因素有合金成分、顯微組織、腐蝕介質(zhì)。通過(guò)測(cè)試不同含量Fe、Ni、Cu等雜質(zhì)元素的鎂合金的腐蝕速率表明，隨著雜質(zhì)元素含量的增加，鎂合金的腐蝕速率急劇下降，如下圖所示。這些雜質(zhì)元素在鎂中具有低的固溶度，常常形成金屬間化合物，并與鎂合金基體構(gòu)成原電池，加速鎂合金的腐蝕。

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鎂合金腐蝕速率的影響

顯微組織對(duì)鎂合金腐蝕行為有很大影響，如快速凝固的鎂合金，由于凝固速度較快，在基體中的合金元素分布相對(duì)均勻，提高了耐蝕性能。

鎂合金在不同的腐蝕介質(zhì)中表現(xiàn)出不同的腐蝕特征，在干燥的環(huán)境中，表面易生成灰色的保護(hù)膜而不易腐蝕；在農(nóng)村及工業(yè)大氣中發(fā)生中等侵蝕，而在大多有機(jī)介質(zhì)中則不受腐蝕。不同介質(zhì)中的具體腐蝕情況如下：

基于上述對(duì)影響鎂合金腐蝕行為三大因素的分析，可以從以下兩個(gè)方面對(duì)提高鎂合金防腐性能進(jìn)行研究：

一是改善鎂合金的本征耐蝕性，即通過(guò)優(yōu)化合金成分、改善鎂合金的微觀組織等方式提高基體材料的耐蝕性；

二是采用表面防護(hù)處理技術(shù)，通過(guò)表面防護(hù)層對(duì)基體進(jìn)行保護(hù)，隔離腐蝕介質(zhì)與基體的接觸，從而提高鎂合金的耐蝕性能，這是目前鎂合金耐蝕防護(hù)最常用的技術(shù)。

提高鎂合金耐蝕性能的有效途徑

化學(xué)轉(zhuǎn)化

鎂合金與轉(zhuǎn)化液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成一層保護(hù)性鈍化膜的處理技術(shù)稱(chēng)為化學(xué)轉(zhuǎn)化法，其主要特點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，適應(yīng)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜件及大件的處理。

化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層與基體結(jié)合良好，擁有特定的孔隙，可以與有機(jī)層形成良好的結(jié)合，適用于環(huán)境溫度和表面質(zhì)量精度要求不高的構(gòu)件。無(wú)鉻轉(zhuǎn)化膜技術(shù)受到廣泛關(guān)注，如磷酸鹽、高錳酸鹽、釩基鹽、稀土金屬鹽以及錫酸鹽處理等。非鉻酸鹽轉(zhuǎn)化方式及其優(yōu)缺點(diǎn)如下：

陽(yáng)極氧化

利用電解作用在金屬表面成膜的過(guò)程稱(chēng)為陽(yáng)極氧化，陽(yáng)極氧化膜為多孔雙層結(jié)構(gòu)，較厚的多孔層為外層，較薄的致密層為內(nèi)層，膜層的成分由合金元素的氧化物和沉積的氧化物共同組成。

陽(yáng)極氧化膜空隙大、無(wú)規(guī)則、分布不均勻，如果不進(jìn)行封閉，耐蝕性非常差，因此需進(jìn)行后續(xù)的封孔處理，使其既美觀又耐蝕。如下表所示，處理液中含有鉻化合物，污染嚴(yán)重，因此逐漸開(kāi)發(fā)了磷酸鹽等環(huán)保型陽(yáng)極氧化工藝。

微弧氧化

微弧氧化是在金屬表面原位生長(zhǎng)陶瓷層的技術(shù)，最早是由Gnterschulze 和Betz在20世紀(jì)30年代初提出，后經(jīng)過(guò)各國(guó)科學(xué)家不斷完善。與化學(xué)轉(zhuǎn)化、陽(yáng)極氧化技術(shù)相比，微弧氧化制備的膜層厚度可控，耐蝕性和耐磨性也更優(yōu)異，在航天、航空、機(jī)械及電子等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

離子注入及表面合金化

離子注入是將表面暴露在一束離子化的顆粒中，離子被嵌入并在基體的間隙位置被中和形成固溶體，從而改變基體的表面性能。離子注入也是提高鎂合金耐蝕表面改性的有效技術(shù) ,采用一定劑量的離子可以抑制鎂合金的腐蝕，注入的元素主要有N、O、Ti、Al和Zn等。

表面涂覆耐蝕涂層

表面涂覆耐蝕涂層將鎂合金與腐蝕介質(zhì)隔絕是提高鎂合金耐蝕性能的另一類(lèi)有效途徑。目前耐蝕涂層主要有有機(jī)涂層、耐蝕金屬涂層以及化合物涂層等。

1) 有機(jī)/聚合物涂層。涂覆有機(jī)/聚合物涂層可直接用于鎂合金表面耐蝕防護(hù)，還可用于鎂合金最外層防護(hù)涂層及封孔層，進(jìn)一步提高耐蝕性。

2) 金屬/化合物涂層。金屬涂層主要是采用化學(xué)鍍和電鍍的方法在鎂合金基體表面涂覆一層金屬涂層。對(duì)AZ91的研究表明，經(jīng)Ni-P與Ni-P-SiC化學(xué)鍍后，自腐蝕電位與AZ91基體相比明顯正移（見(jiàn)下表），腐蝕電流明顯降低，說(shuō)明化學(xué)鍍層可以提高AZ91鎂合金的耐蝕性，而添加SiC顆粒對(duì)耐蝕性的影響不大。

AZ91鎂合金鍍層在3.5%NaCl中腐蝕電化學(xué)參數(shù)

化合物涂層在中性或者酸性腐蝕介質(zhì)中呈現(xiàn)出比鎂合金基體高得多的化學(xué)惰性。在鎂及鎂合金基體表面制備出一層致密的化合物涂層將大大提高基體的腐蝕電位，提高耐蝕性。

轉(zhuǎn)載自PVD 鍍膜

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