镁合金表面钇盐复合KH560硅烷膜的耐蚀性研究
2019-12-02李洋邹忠利汤褒川毕振陈文斌
李洋 邹忠利 汤褒川 毕振 陈文斌
【摘 要】为了提高耐蚀性，本文在AZ31B镁合金表面采用钇盐复合KH560硅烷制备出了复合膜层。试验采用电导率仪及电化学工作站分别对考察了硅烷水解时间、钇盐浓度及复合方式对膜层的影响，实验结果显示：硅烷最佳的水解时间为20min，钇盐最佳掺杂浓度为5g/L，采用一步法复合方式获得的复合膜层耐蚀性相对最好。
【关键词】镁合金;复合硅烷膜;耐蚀性
中图分类号： TG174.4文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）32-0050-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.020
Corrosion Resistance of Yttrium Salt Composite KH560 Silane Film on Magnesium Alloy Surface
LI Yang ZOU Zhong-li* TANG Bao-chuan BI Zhen CHEN Wen-bin
（School of Materials Science and Engineering
【Abstract】In order to improve corrosion resistance，Yttrium salt composite KH560 silane was used to prepare composite film on AZ31B magnesium alloy.The effects of hydrolysis time of silane，concentration of yttrium salt and compounding method on the film were investigated by conductivity meter and electrochemical workstation.The results showed that the optimum hydrolysis time of silane was 20min，and the optimum doping concentration of yttrium salt was 5g/L.The corrosion resistance of the composite film obtained by one-step compounding method was relatively best.
【Key words】Magnesium alloy;Composite silane film;Corrosion resistance
鎂合金具有轻质高强的特点，使其在电子、汽车、航天航空、军事等领域有着广泛的应用[1]。然而镁合金的化学性质相对活泼，极易发生腐蚀，限制了它的应用范围[2]。关于镁合金的表面防护，人们进行了大量研究，其中发现在其表面涂覆有机涂层可以大大减缓腐蚀的发生。其中金属表面的硅烷化技术迄今已有三十多年的历史，大量的研究表明硅烷膜层可以有效地保护镁合金基体。然而单纯的硅烷膜层的防护性能是有限的，目前的研究趋势是无机缓蚀剂复合硅烷方法，利用缓蚀剂和硅烷膜的协同效应[3]。本文在前期试验的基础上[4]，选用γ-（2，3-环氧丙氧）丙基三甲氧基硅烷（KH560）作为主要成膜物质，钇盐为掺杂改性剂，在AZ31B镁合金表面进行浸渍成膜，采用电化学工作站对不同试样进行了测试，考察镁合金试样的耐蚀性能。本文的研究扩展了镁合金表面复合硅烷的种类，具有实际应用价值。
1 实验方法
1.1 硅烷半水解溶液和硅烷膜的制备
采用乙醇和水作为混合溶剂对硅烷进行水解，保持KH560：无水乙醇：去离子水比例为3：2：5，在一定温度和pH值下进行水解，最终得到硅烷KH560的半水解溶液。将表面洁净的AZ31B镁合金（尺寸为2cm×2cm×0.1cm）采用浸渍提拉法进行涂膜，提拉速度为3cm/s，然后甩干后在120℃进行烘干处理，时间30min。
1.2 测试方法
试验采用电导率仪对硅烷的水解程度进行测试;塔菲尔极化曲线和电化学交流阻抗谱采用上海辰华的CHI660E电化学工作站进行测试，测试溶液为室温条件下的3.5%NaCl溶液，采用三电极体系，以镁合金试样为工作电极，铂片作为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极，测试面积为1cm2。
2 结果与讨论
2.1 硅烷水解时间的影响
试验采用电导率仪对硅烷的水解过程进行检测，硅烷水解液中存在着从硅烷转变为硅醇的过程，该过程将会令水解液的电导率升高，同时也存在着硅醇缩聚的过程，当达到平衡时，电导率保持稳定。硅烷水解液在40℃条件下电导率与水解时间的变化趋势如图1所示。
图1 硅烷水解液电导率与水解时间的关系曲线
由图可知，当水解时间在20min左右，水解液的电导率达到稳定，即证明了硅烷水解液水解和缩聚过程达到了动态平衡，水解液存在的硅醇浓度达到最大。由此可知，在40℃条件下，20min就完成了KH560硅烷的水解过程。
2.2 复合方式的影响
图2 不同复合方式获得镁合金试样的电化学交联阻抗谱曲线
实验还考察了硝酸钇与硅烷的复合方式对最终复合膜层的影响，即：采用两步法和一步法复合，两步法是在镁合金表面先形成钇盐转化膜，然后在KH560半水解液进行涂敷成膜;而一步法是将硝酸钇直接添加到KH560半水解液中，镁合金试样直接涂敷成膜。试验采用电化学阻抗谱对两种复合方式获得的试样进行了测试，实验结果如图2所示。由图可知，采用一步法获得复合膜层的阻抗值要远远大于两步法获得膜层的阻抗值。一步法膜层中硝酸钇的缓蚀作用和硅烷膜的防护作用很好地结合在一起，可以对镁合金表面起到很好的防护作用;而两步法获得膜层的阻抗值虽然相对与空白试样有提升，但是耐蚀效果不如一步法。由此，试验确定采用一步法对镁合金表面进行处理。
2.3 硝酸钇掺杂浓度的影响
在确定使用一步法复合方式后，试验考察了不同硝酸钇掺杂浓度下硅烷膜的塔菲尔极化曲线，如图3所示。
图3 不同硝酸钇掺杂浓度下硅烷膜的塔菲尔极化曲线
由图可知，当硝酸钇浓度为5g/L时获得的镁合金试样腐蚀电流密度（Jcorr）最小，说明此时复合膜层的耐蚀性最好。当硝酸钇浓度高于5g/L获得的膜层耐蚀性反而不好，推测其中的原因在于过度的添加反而会破坏硅烷膜的完整性与均一性，使其结构变得疏松，耐蚀性能反而下降。
3 结论
实验以AZ31B镁合金为研究对象，通过硅烷偶联剂复合掺杂的形式获得了耐蚀性良好的复合膜层，获得如下结论：（1）试验采用的KH560硅烷水解液最佳的水解时间为20min;（2）一步法复合形式获得膜层的耐蚀性相对于两步法更佳;（3）作为缓蚀剂的硝酸钇最佳的掺杂浓度为5g/L。
【参考文献】
[1]訾炳涛，王辉.镁合金及其在工业中的应用[J].稀有金属，2004，28（1）：229-232.
[2]刘海萍.铝合金、镁合金表面强化技术[M].北京：化学工业出版社，2019，136-139.
[3]邹忠利，马金福.镁合金表面有机硅烷膜掺杂改性的研究进展[J].材料保护，2014，47（6）：45-47.
[4]马全森，邹忠利，谭青文.AZ31B镁合金表面KH550硅烷膜耐蚀性能研究[J].科技视界，2018，256（34）：74-75.
