镁合金化学抛光工艺

2012-06-14周游姚颖悟吴坚扎西吕千

电镀与涂饰 2012年12期

周游，姚颖悟, *，吴坚扎西，吕千

（1.河北工业大学化工学院电化学表面技术研究室，天津 300130；2.西藏大学理学院，西藏拉萨 850000）

1 前言

镁是最轻的金属结构材料之一，被广泛应用于航空航天、汽车制造和电子工业等领域。但由于镁合金性质活泼，常对其进行转化膜处理来提高耐蚀性。对镁合金表面进行抛光是一项重要的前处理工序，可以增加后续镁合金转化膜的结合力。金属表面抛光可采用机械抛光、化学抛光、电化学抛光[1]等方法。其中，化学抛光具有适应性强、工艺简单、操作方便、生产成本低、不受样品形状限制及不需要电源和特殊夹具等优点[2]。本文以磷酸为主试剂，添加不同的添加剂对镁合金进行化学抛光，以达到理想的抛光效果。

2 实验

2.1 实验材料

试样材料为AZ31B 压铸镁合金，各主要化学成分的质量分数分别为：Al 2.5%～3.5%，Zn 0.6%～1.4%，Mn 0.2%～0.5%，Si 0.1%，Cu 0.05%，Fe 0.005%，Ni 0.005%。试样规格为10 mm × 80 mm × 1 mm。氢氧化钠、磷酸钠、磷酸、丙三醇、柠檬酸和硫酸铜，均为市售分析纯。

2.2 工艺流程

用砂纸由粗至细打磨─水洗─脱脂─水洗─抛光─水洗─冷风吹干。

2.3 各溶液组成及工艺条件

2.3.1 脱脂

氢氧化钠 45 g/L

磷酸钠 10 g/L

θ55 °C

t15 min

2.3.2 化学抛光

磷酸 400～750 mL/L

丙三醇 150～400 mL/L

柠檬酸 0.2～1.0 g/L

CuSO4·5H2O 0.1～0.8 g/L

θ40～70 °C

t1～6 min

2.4 测试与表征

2.4.1 失重量

采用FA2004 型电子分析天平(上海上平仪器公司)测量试片抛光前后的质量变化，用下列公式计算金属失重量：

Δm=(m1-m2) /A

式中，Δm为失重，g/cm2；m1、m1为金属抛光前、后的质量，g；A为金属试样的表面积，cm2。

2.4.2 反射率

采用UV-2450 型紫外-可见分光光度计(上海凤凰科学仪器)测试抛光后样品表面的反射率，表征抛光效果，以反射率100%的镜面作为参考。

2.4.3 表面形貌

采用OLYMPUS-STM6 金相显微镜(日本奥林巴斯株式会社)观察抛光前后镁合金的表面形貌。

2.3.4 极化曲线测试

极化曲线测试在上海辰华CHI604D 电化学工作站上进行，采用三电极体系，辅助电极为铂电极，研究电极为试片(有效面积1 cm2)，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，腐蚀溶液为质量分数为3.5%的NaCl 溶液。电位扫描范围为-1.8～-0.8 V，扫速10 mV/s。

3 结果与讨论

3.1 抛光液中各主要组分对抛光效果的影响

3.1.1 磷酸

磷酸是一种中等强度的三元无机酸，在抛光的过程中主要起到溶解镁合金表面的作用。磷酸的黏度大,与金属生成的磷酸盐也有很大黏滞性，在抛光过程中，能增加抛光液的黏度，在金属表面形成磷酸盐保护膜，阻止金属表面过腐蚀，使其达到平整、光亮的效果[3]。磷酸体积分数对镁合金失重量和反射率的影响见图1。

图1 磷酸体积分数对镁合金失重量和反射率的影响 Figure 1 Effect of volume fraction of phosphoric acid on weight loss and reflectivity of Mg alloy

由图1可以看出，磷酸体积分数为650 mL/L 时，镁合金的失重量最小，反射率最高。

3.1.2 丙三醇

丙三醇为中性透明黏稠液体，可以与水以任意比例互溶，可以协助磷酸在镁合金表面形成黏膜，以达到控制腐蚀速度的目的。若丙三醇含量过低，镁合金溶解过快，造成镁合金表面粗糙程度较大；若含量过高，抛光液黏度过大，操作难度增加。丙三醇体积分数对镁合金失重量和反射率的影响见图2。由图2可知，当丙三醇体积分数为250 mL/L 时，抛光效果最好。镁合金的失重量最小，反射率最高。

图2 丙三醇体积分数对镁合金失重量和反射率的影响Figure 2 Effect of volume fraction of glycerol on weight loss and reflectivity of Mg alloy

3.1.3 添加剂

3.1.3.1 柠檬酸

柠檬酸对失重量的影响较小，其主要作用是控制镁合金表面的点蚀程度。柠檬酸质量浓度对反射率的影响见图3。由图3可以看出，柠檬酸添加量在0.2～0.6 g/L 时，镁合金表面的麻点减少；当含量为0.6 g/L时，镁合金表面最为光亮，反射率达到了最高值；当浓度高于0.8 g/L 时，会出现过腐蚀的现象。所以，柠檬酸的最佳含量为0.6 g/L。

图3 柠檬酸质量浓度对镁合金反射率的影响Figure 3 Effect of mass concentration of citric acid on reflectivity of Mg alloy

3.1.3.2 硫酸铜

在抛光液中加入硫酸铜，主要是为了提高反射率。Cu2+优先在镁合金上还原得到电子，形成电流，产生局部微电池，从而促进周围基体的溶解，起到了使表面平整光滑的作用[4]。Cu2+量太少时，会产生不均匀腐蚀；若含量太多，很容易发生过腐蚀，反而导致亮度下降。图4为硫酸铜质量浓度对镁合金反射率的影响。可以看出，硫酸铜最佳含量为0.5 g/L。此时，镁合金的反射率最高。

图4 硫酸铜质量浓度对镁合金反射率的影响Figure 4 Effect of mass concentration of copper sulfate on reflectivity of Mg alloy

3.2 工艺参数对抛光效果的影响

3.2.1 抛光温度

抛光液的温度是一个重要的工艺参数，抛光温度直接影响抛光时间和抛光程度。抛光温度对镁合金失重量和反射率的影响见图5。

图5 抛光温度对镁合金失重量和反射率的影响Figure 5 Effect of polishing temperature on weight loss and reflectivity of Mg alloy

当温度低于30 °C 时，镁合金表面溶解速度过慢；温度高于50 °C 时，溶解过快，腐蚀程度过大，导致光亮度下降。另外，若温度过高，溶液中的水分蒸发较快，抛光失重较大，能耗较高，抛光液组成不稳定，造成抛光成本增加[5]。由图5可知，最佳抛光温度为50 °C。此时，失重量较低，反射率最高。

3.2.2 抛光时间

抛光时间直接影响抛光液的循环使用寿命。在一定的范围内，镁合金表面的光亮程度与抛光时间成正比。但若抛光时间过长，会出现过腐蚀现象，而且失重量过大。在磷酸体积分数为650 mL/L、丙三醇体积分数为250 mL/L、柠檬酸和硫酸铜的质量浓度分别为0.6 g/L 和0.5 g/L 的抛光液中，抛光温度为50 °C 时，抛光时间对镁合金失重量和反射率的影响见图6。

图6 抛光时间对镁合金失重量和反射率的影响Figure 6 Effect of polishing time on weight loss and reflectivity of Mg alloy

由图6可知，抛光效果较好的时间范围为2～3 min。超过4 min 后，失重量过高，并且抛光液中会出现沉淀，所以最佳抛光时间选择3 min。此时，镁合金失重为23 g/cm2，反射率为50%。

3.3 表面形貌

在较佳工艺条件下，镁合金抛光前后的表面形貌照片见图7a、7b(均放大500 倍)。由图7a可以清晰地看到镁合金表面的压铸痕迹，而且表面还存在被氧化的区域(图中颜色较暗的部位)，使得镁合金表面变得粗糙、不均匀。图7b为较佳工艺条件下抛光后的镁合金的金相图。与图7a对比镁合金的表面形貌得到了很大程度的改善，表面光滑、平整，麻点明显减少，抛光效果较好。

图7 抛光前后镁合金的表面形貌照片Figure 7 Images of surface morphology of Mg alloy before and after polishing

3.4 抛光对镁合金耐蚀性能的影响

图8是AZ31 镁合金裸基体(曲线a)和经较佳工艺条件抛光后的镁合金(曲线b)在3.5% NaCl常温溶液中的动电位扫描曲线。经过拟合得到镁合金抛光前的腐蚀电位为-1.54 V，腐蚀电流密度为2.057 × 10-4mA/cm2，抛光后镁合金的腐蚀电位为-1.45 V，腐蚀电流密度为6.837 × 10-5mA/cm2。