镁合金表面处理技术的研究进展

王志斌

（中核北方核燃料元件有限公司，内蒙古 包头 014035）

镁是继铝之后地壳中第三富含金属元素，是工程应用领域中金属元件中最轻的连接件。镁合金的比重小，强度高，刚性强，阻尼性能好，电磁屏蔽性能好，回收可利用率高的特点，对于国防航天、汽车电力、电子产品等领域，有着广泛的应用前景。现在已经成为应用工程领域的重要材料。被各国专家誉为当今世界上最具潜力和发展前景的绿色工程材料。

但是镁合金具有很高的电化学活性，在空气中特别是在潮湿和沿海地区易受腐蚀，而且它的韧性低，耐高温性能差，表面形成的疏松多孔的氧化膜无法有效保护限制了镁合金的广泛应用。目前世界各地，特别是在我国，镁合金的研究迅速发展，为了提高镁合金的性能，拓展镁合金的应用领域，提高镁合金材料的使用寿命，科学家通过控制镁合金的组成，提高镁合金热力学稳定，改变镁合金基体表面的组成和改变加工工艺等手段，提高镁合金的使用性能，镁合金表面处理技术被相继应用到镁合金的防护中来。适当的表面处理可以有效地提高耐腐蚀性，同时保持镁合金的优异性能。一些表面处理技术已经成熟，并且因为成本低廉等原因，已经进入了实际生产，成为镁合金生产中的一个重要主体。

1 化学氧化技术

化学转化膜是镁合金膜化最常用的方式，大体可以分为无机氧化膜和有机氧化膜两种，其中无机氧化膜又可以分成非铬转化膜，如磷酸盐、植物酸、锡酸等，非铬转化膜是金属外层电子与介质阴离子反应，表面生成的一层不溶性钝化薄层。这层钝化膜不仅可以有效的防止腐蚀，也不会影响之后的涂层膜的粘合性。但是镁合金的化学氧化膜薄、易碎、多孔，只能用于降低腐蚀速度，它的耐腐蚀性有限，耐磨性不足，不利于作为长期的外壳保护。

在化学转化处理中，络化处理与磷化处理是目前应用最多，技术最为成熟，表面改性中发展较快的一种技术。但是这两种处理废液中含有大量的污染物，这些废料处理成本高，难度大。因此，研究开发性能优越，无害环境的转化处理工艺是未来研究的重点[1]。

2 阳极氧化技术

最早的阳极氧化技术出现在二十世纪二十年代，它分为酸性氧化液和碱性氧化液两种。虽然阳极氧化技术工艺复杂，但是能够对大面积及结构复杂的元件进行处理。阳极氧化膜比化学氧化物膜更厚，与基材相连更加紧密，可以在中等腐蚀环境中用作保护层。阳极氧化膜具有多孔的特点，着色处理后，它不仅耐腐蚀而且更加美观。

阳极氧化技术具有生产工艺简单、一次成膜面积大、生产设备投资少、加工成本低、耐腐蚀、耐磨、硬度高等优点。它能为油漆、涂料等有机涂料提供良好的基材，并能利用其多孔结构进行着色处理，满足装饰要求。它被认为是最基本的镁合金之一，最广泛使用的表面保护方法。它具有与基体金属结合力强、电绝缘性好、光学性能优良、抗热震、耐磨、耐腐蚀等优点，同时还可根据需要对阳极氧化膜进行低污染、低成本着色和密封处理。镁合金阳极氧化膜具有双层结构：内层薄而致密，外层厚而多孔。外层的孔不能穿透内层。经油漆、染色、密封或钝化处理后，外孔的耐蚀性进一步提高。阳极氧化技术还可以应用于涂层和其他有机涂层的进一步涂覆，为它们提供良好的基础，而且还可以满足航空航天和卫星镁合金光学特性的特殊要求。使用后它的薄膜易于去除，有利于原构建的回收利用。现在人们对阳极氧化技术的氧化液的改进与开发, 膜的组成、结构及其耐蚀性上开展积极研究。

镁合金的阳极氧化可以通过碱性或酸电解质中的直流或交流电流进行，不同的振幅和控制模式对膜的工艺和性能有很大的影响。早期的Dow17和CR-22方法，都是在有毒铬化合物中进行的。然后逐渐发展成为磷酸盐、高锰酸钾、可溶性硅酸盐、硫酸盐的无毒阳极氧化过程，主要处理溶液为氢氧化物和氟化物。阳极氧化的制造工艺比化学氧化工艺复杂，但阳极氧化成膜工艺成膜性能好，更适用于加工形状复杂、面积大的元件，阳极氧化技术现已成为镁合金产业中的常用工艺。

3 微弧氧化技术

微弧氧化技术是在阳极氧化基础上发展起来的一种新型表面处理技术。微弧氧化不同于阳极氧化，它是需要在工作区域施加强电压。与阳极氧化相比，微弧氧化具有成膜速度快、膜层与基体结合力强、硬度高、组织致密、耐磨、耐腐蚀、绝缘性好、耐高温、装饰性好等优点，工艺安全、环保，是一种极具发展潜力的镁合金表面改性技术。

微弧氧化成膜过程涉及电化学、热化学和等离子体化学的相互作用，成膜机理复杂，至今还没有合理的模型来描述微弧氧化膜的形成。微弧氧化膜具有双层结构，内层密度薄，外层厚而多孔，它直接在金属表面原位生成一层陶瓷膜。根据控制方法的不同，微弧氧化过程可分为恒压微弧氧化和恒流微弧氧化。一般采用恒流法，省时、易控制根据控制。根据薄膜厚度、耐磨性、耐腐蚀性和耐热性，电流密度通常在5-40a/DM2范围内。

微弧氧化装置主要包括微弧氧化电源、压力控制系统、氧化装置、循环冷却系统等。在微弧氧化过程中，镁合金阳极和不锈钢板阴极在试样表面释放出大量的热量。因此，必须要安装溶液循环冷却系统，使溶液温度保持在一定范围内，并且通过设置正脉冲宽度和负脉冲宽度等参数来优化微弧氧化的性能。微弧氧化的工艺过程通常是：除油→去离子水漂洗→微弧氧化→水洗。一般来说，微弧氧化过程分为四个阶段，第一阶段是表面生成氧化膜，第二阶段是氧化膜的分解并发生等离子微弧放电，第三阶段是进一步氧化的进一步渗透，第四阶段是氧化、熔化和凝固。

微弧氧化技术比常见的阳极氧化工艺相比更加简单，并且微弧氧化膜以其优异的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性和装饰性，广泛应用于航空航天、机械、汽车、纺织、化工、医药和海洋等领域，另一方面高能耗的特点限制了其在生产实践中的应用，但是微弧氧化技术依然具有广阔的应用前景。

4 电镀

镁合金的电化学活性很高，镀液会对镁合金基体造成腐蚀，镀液中的阳离子会被镁所取代，导致镀层多孔，附着力差。因此，镁合金必须进行适当的预处理，传统处理方法包括浸锌和直接化学镀。在保护膜形成后进行电镀。目前，镁合金化学镀镍的研究较多。结果表明，合理的前处理工艺应用对于整个化学镀能否实施，镀层的质量和镀层与基体间的结合力等有着非常重要的作用。

镁合金电镀电镀基本流程是:清洗→浸蚀→活化→浸锌→氰化镀铜→电镀。是镁合金表面电沉积的一层轻质合金层，在镁合金表面具有耐蚀性和导电性。这层电镀膜提高了镁合金的硬度、耐擦伤性和耐蚀性。电镀是一种金属离子在无外加电源的情况下，将镀液中的金属离子还原为基底金属，由金属本身所带的电离子进行反应，在其表面形成一层保护膜。

镁合金电镀工艺已进入实际应用阶段，它具有优良的硬度、耐磨性和耐蚀性，并且镀层厚度均匀，孔隙率低的特点，使电镀工艺在各行各业中得到了广泛的应用。但由于镁电极电位低，化学活性高，透析过程中氢含量高，镀层与基体结合力低，很难直接进行电镀工艺，并且电镀耐腐蚀金属溶液中通常含有有害的氰化物，因此开发无酸、稳定、清洁的电镀技术是镁合金表面处理的重要方向。

5 镁合金有机涂层

镁合金表面处理技术还涉及一种镁合金表面防护材料的短期防护方法，包括有机涂层、粉末涂层、气相沉积、液相沉积、凝胶涂层、热喷涂涂层、含氟化合物涂层等。有机涂层种类繁多，具有适应性广、成本低、工艺简单等特点，污染小、厚度均匀，耐腐蚀性好等优点。虽然镁合金有机涂层工艺种类数不胜数，但很少有单一涂层能在恶劣环境下提供防护。

热喷涂是用火焰、激光、电弧或等离子等喷涂材料加热或软化，喷涂在镁合金表面的一种工艺。粉末喷涂技术包括将有色树脂固化粉末喷涂在基体上，然后加热熔融合，得到致密均匀的涂层，由于所得涂层较厚，涂层严密无气孔，从而提高涂层的耐腐蚀性和附着力，但由于在某些隐蔽的地方喷涂不到位，所以结构复杂，凹凸过密的元件不适合这种喷涂方式。目前，国内外还无法开发出一种能抵抗恶劣环境的单层涂料，所以能够研究出一种可以抵抗极端条件下的单层膜层是今后需要研究的一大课题。

6 结语

镁合金作为一种新型的结构材料，将得到越来越广泛的应用，其相应的表面处理方法也将迅速发展。镁合金的表面处理方法很多，但目前还不能达到理想的处理效果，也没有一种适合于所有类型镁合金的表面处理方法。加强镁合金表面处理技术的发展，研究保护膜的形成机理，提高表面保护膜的性能，对提高镁合金的耐蚀性具有重要的现实意义和经济效益。