专利名称：一种制备镁合金表面转化耐蚀膜层的方法
技术领域：
本发明涉及一种镁合金表面处理方法，尤其涉及一种外加磁场的制备镁合金表面 转化耐蚀膜层的方法。
背景技术：
镁合金具有密度低，比强度、比刚度高等优良性能及易于回收，被誉为21世纪绿 色工程材料。但是镁合金的耐腐蚀性能较差，原因在于一方面在于镁的标准电极电位是所 有结构金属中最低的，另一方面，镁合金表面氧化膜呈多孔状结构，对镁合金基体并无良好 的腐蚀防护作用，这极大限制了镁合金的应用范围。以化学方法在镁合金表面上产生一层 与基体牢固结合的化合物转化膜，可显著提高镁合金耐腐蚀性能。传统的镁合金化学转化 处理技术主要采用含有铬酸盐转化处理技术，但是铬酸盐转化处理液含有高污染性化学物 质Cr6+离子对环境有极大危害，此外；铬酸盐转化技术所得的膜层存在大量微裂纹和孔 隙，耐蚀性能不理想，已成为制约转化膜技术发展的瓶颈。因此，为保护环境实现可持续发 展，人们就一直不停寻求可替代铬酸盐转化工艺的无铬转化技术。曾经研究了磷酸盐、磷酸 盐-高锰酸盐、钼酸盐、稀土及植酸等镁合金转化技术。但是都由于转化膜层同样存在着大 量微裂纹和孔隙，结合力差等缺点，难以满足实际工程的需要。现有的转化处理装置主要包含电源、处理槽、加热装置、温控装置和玻璃棒。转化 处置方法如下对处理槽中处理液进行加热，使用热电偶等装置对处理液的温度进行控制， 并伴有不断搅拌。该制备转化膜的方法简单实用、成本低，具有普遍性和通用性。然而使用 这种方法，粒子的化学反应杂乱无章，不利于控制转化膜的生成，转化膜的均勻性、致密性 和化学特性较差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种制备镁合金表面转化耐蚀膜层的方法，该方 法通过外加磁场优化转化膜的均勻性、致密性和化学特性。上述目的是通过下述方案实现的一种制备镁合金表面转化耐蚀膜层的方法，该方法的步骤包括(1)脱脂处理清除镁合金表面的油脂；(2)碱洗处理采用碱洗进一步脱脂以及所述脱脂处理留下的残留物；(3)漂洗处理对碱洗处理后的镁合金进行漂洗；(3)烘干处理将所述镁合金烘干；(4)无铬化学转化处理将镁合金浸入无铬化学处理液中成膜；其特征在于，在所述无铬化学转化处理的同时，在外加磁场的作用下进行转化处理。根据上述方法，其特征在于所述脱脂处理是对镁合金表面存在的油污物用丙酮 在20-40°C、超声波5-10分钟脱脂清洗。
根据上述方法，其特征在于所述碱洗处理是使用碱洗液进一步脱脂以及清洗由 于丙酮清洗表面而留下的残留物，所述碱洗液的具体组成为NaOH10g/L_150g/L，Na2Si03 20g/L-200g/L,Na3P04 15g/L-150g/L,碱洗的工艺条件为温度40-80°C，时间2-15分钟，pH 值8_12。根据上述方法，其特征在于所述漂洗处理是在室温20-40°C范围内对碱洗后的 镁合金进行漂洗。根据上述方法，其特征在于所述烘干处理是在25°C烘箱中持续15min。根据上述方法，其特征在于所述无铬化学转化处理中使用的处理液成分为K3V04 :15g/L-50g/L,MnC03:6g/L_20g/L，促进剂NaC1040. 5g/L_10g/L，成膜剂CaC034g/L_40g/L ；处理液工艺参数为处理时间5_25分钟，处理温度30-70°C；磁感应强度0. 1-2特斯拉。根据上述方法，其特征在于所述磁场方向垂直于镁合金样品的主要工作面。根据上述方法，其特征在于所述磁场方向平行于镁合金样品的主要工作面。
图1是本发明的方法所使用的装置结构示意图；图2-5分别是实验1-4生成的转化膜的扫描图；图6是不同条件下镁合金转化膜在5% NaCl溶液中的极化曲线图。
具体实施例方式参见图1，制备镁合金表面转化耐蚀膜层的装置包括转化处理槽3、热电偶5、电加 热器6和温度控制器7。热电偶5和电加热器6分别与温度控制器7电连接，电加热器6 和热电偶5位于转化处理槽3中，且温度控制器7根据热电偶5测得的温度控制电加热器 6升温降温。在转化处理槽3的外侧设有产生磁场的磁场装置，磁场装置由铁芯1和线圈2 组成，铁芯1和线圈2环绕在转化处理槽周围，高度与转化处理槽3相当，且铁芯1在线圈 2的外侧。接入直流电后，磁场的方向处置与转化处理槽3。制备镁合金无铬化学转化膜的外加磁场作用化学转化方法采用如下措施1.前处理工艺镁合金在磁场作用化学转化处理之前，必须进行前处理，前处理过程关系到转化膜层的均勻性，结合力和致密性等性能。在前处理过程中要达到清除镁合金表面油脂等污 染物，为后续磁场作用下的化学转化过程做准备。前处理过程为(1)脱脂处理对镁合金表面的存在油污物用丙酮在20-40°C、超声波5-10分钟脱 脂清洗，以防止表面清洗不充分而化学转化处理完成不充分。(2)碱洗处理采用碱洗进一步脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物。碱 洗液的具体组成为NaOH10g/L_150g/LNa2Si03 20g/L_200g/LNa3P04 15g/L_150g/L碱洗的工艺条件为温度40_80°C，时间2-15分钟，pH值8_12，在室温20-40°C范围内对碱洗后的镁合金进行漂洗。(3)烘干在25 °C烘箱中持续15min.2.无铬化学转化处理将镁合金浸入无铬化学处理液中，在外加磁场的作用下进行转化处理。所用磁场 均为均勻磁场。(1)转化液配方及处理工艺溶液配方为K3V04 :15g/L-50g/L,MnC03:6g/L_20g/L，促进剂NaC1040. 5g/L_10g/L，成膜剂CaC034g/L_40g/L处理液工艺参数为处理时间5-25分钟处理温度30-70°C外加磁场艺参数为磁感应强度0. 1-2特斯拉磁场是影响电化学动力学的有效手段之一。磁流体力学效应作用于电极附近的扩 散层及粘滞层，能强化电极处的离子传质，改变离子的速度场。在外加磁场的条件下，Lorentz力引起的磁流体力学效应显著地影响了电化学过 程。溶液中的离子流切割磁力线时会受到Lorentz力的作用；Lorentz力使离子作螺旋线 定向运动，从而起到了处理液的搅拌作用，而且使离子作定向加速运动。因此，电化学过程 中外加磁场具有可调节离子传输过程。处理液中有很多离子，它们都是带有正、负电荷的，没有外力的情况下，这些粒子 杂乱无章的在溶液中运动，没有规律。但是在外加磁场的作用下，由于磁场强度的作用，产 生洛伦兹力，加速带点粒子的运动，加速了粒子的扩散，增加了界面之间粒子的流动，即加 速了成膜反应的进行。而加速的粒子进行规则性的运动方式，从而使得膜层更加致密，生成 膜层的耐腐蚀性能更好。此外，本发明采用了新的处理液组合K3V04和MnC03处理液，对环境和人体健康的危害小。下面是4个实施例，分别针对传统的成膜工艺、使用本发明处理液的成膜工艺、使 用本发明的处理液并外加垂直磁场和水平磁场的工艺。实施例1 对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一 步脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为Na0H:20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱 中持续15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，达到预定温度后，把样品置入。处理液配方Na2Cr207:200g/L ；HN03 :180g/L ；KF :16g/L，处理液工艺参数为处理时间为lmin，处理温度在20°C。实施例2 对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一 步脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为Na0H:20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱 中持续15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，达到预定温度后，把样品置入。溶液配方为K3V04 :25g/LMnC03:16g/L,促进剂NaC104:4g/L，成膜剂CaC03:20g/L处理液工艺参数为处理时间15分钟，处理温度60°C。实施例3 对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一 步脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为NaOH :20g/L, Na2Si03 :35g/L， Na3P04 :20g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱 中持续15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，加入磁场，达到预定温度后，把样品置 入。溶液配方为K3V04 :25g/LMnC03:16g/L,促进剂NaC104:4g/L，成膜剂CaC03:20g/L处理液工艺参数为处理时间15分钟，处理温度60°C
外加磁场艺参数为磁场方向垂直于镁合金主要工作面，即面积较大的面磁感应强度0. 5特斯拉实施例4 对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一步 脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为NaOH 20g/L, Na2Si03 35g/L, Na3P04 20g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱中持续 15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，加入磁场，达到预定温度后，把样品置入。处理液配方为K3V04 :25g/LMnC03 :16g/L,促进剂NaC1044g/L，成膜剂CaC0320g/L处理液工艺参数为处理时间15分钟，处理温度60°C外加磁场艺参数为磁场方向水平于镁合金主要工作面，即面积较大的面，磁感应强度0.5特斯拉实施例5:对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一 步脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为NaOH :20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱 中持续15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，加入磁场，达到预定温度后，把样品置 入。溶液配方为K3V04 :15g/LMnC03 :6g/L,促进剂NaC104:0. 5g/L，成膜剂CaC03:4g/L处理液工艺参数为处理时间5分钟，处理温度70°C外加磁场艺参数为磁场方向垂直于镁合金主要工作面，即面积较大的面磁感应强度0. 1特斯拉实施例6:对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一步 脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为NaOH 20g/L, Na2Si03 35g/L, Na3P0420g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱中持续 15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，加入磁场，达到预定温度后，把样品置入。处理液配方为K3V04 :50g/LMnC03 :20g/L,促进剂NaC10410g/L，成膜剂CaC0340g/L处理液工艺参数为处理时间25分钟，处理温度30°C外加磁场艺参数为磁场方向水平于镁合金主要工作面，即面积较大的面，磁感应强度2特斯拉实施例7:对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一 步脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为Na0H:20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱 中持续15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，加入磁场，达到预定温度后，把样品置 入。溶液配方为K3V04 :15g/LMnC03 :6g/L,NaC104 lOg/L成膜剂CaC03:4g/L处理液工艺参数为处理时间5分钟，处理温度70°C外加磁场艺参数为磁场方向垂直于镁合金主要工作面，即面积较大的面磁感应强度0. 1特斯拉实施例8:对镁合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超声波清洗6分钟，采用碱洗进一步 脱脂以及由于丙酮清洗表面而留下的残留物，碱洗液为NaOH 20g/L, Na2Si03 35g/L, Na3P04 20g/L ；温度为45°C，时间6分钟，pH值为9，室温30°C，进一步碱洗后，在25°C烘箱中持续 15min。对转化槽中配好的处理液通电加热，加入磁场，达到预定温度后，把样品置入。处理液配方为K3V04 :50g/LMnC03 :20g/L,NaC104 0. 5g/L,
成膜剂CaC0340g/L处理液工艺参数为处理时间25分钟，处理温度30°C外加磁场艺参数为磁场方向水平于镁合金主要工作面，即面积较大的面，磁感应强度2特斯拉在实施例5-8中，磁场的作用下的镁合金转化膜显示出较少的裂纹和孔隙，通过 试验得知在磁感应强度为0. 5特斯拉时镁合金转化膜表现出比其他磁感应强度下转化膜 更突出的表面特点。图2-5中的转化处理膜的扫描图分别对应上述实施例1-4。从扫描电镜图中可以看出，实施例1条件下转化膜腐蚀均勻，但有裂纹(参见图 1)；实施例2条件下，转化膜裂纹和孔隙较为明显(参见图2)；实施例3条件下，转化膜中 无裂纹，表面致密(参见图3)；实施例4条件下，转化膜中裂纹和孔隙较少(参见图4)。极化曲线测试的腐蚀电位与腐蚀电流的关系曲线，通过分析研究极化曲线能够解 释金属腐蚀的基本规律、揭示金属腐蚀机理。图6是不同条件下镁合金转化膜在5% NaCl 溶液中的极化曲线图。标注1是实施例1条件下镁合金转化膜在5% NaCl溶液中的极化曲 线图；标注2实施例2条件下镁合金转化膜在5% NaCl溶液中的极化曲线图；标注3是在 实施例4条件下镁合金转化膜在5% NaCl溶液中的极化曲线图；标注4是在实施例3条件 下镁合金转化膜在5% NaCl溶液中的极化曲线图。通过分析极化曲线图得出不同条件下镁合金在腐蚀过程中的腐蚀电位和腐蚀电 流，如表1所示。从表中可以看出，实施例3下镁合金的腐蚀电位最高，腐蚀电流最小，因此 耐蚀性能最好。表 权利要求
一种制备镁合金表面转化耐蚀膜层的方法，该方法的步骤包括(1)脱脂处理清除镁合金表面的油脂；(2)碱洗处理采用碱洗进一步脱脂以及所述脱脂处理留下的残留物；(3)漂洗处理对碱洗处理后的镁合金进行漂洗；(3)烘干处理将所述镁合金烘干；(4)无铬化学转化处理将镁合金浸入无铬化学处理液中成膜；其特征在于，在所述无铬化学转化处理的同时，在外加磁场的作用下进行转化处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述脱脂处理是对镁合金表面存在的油 污物用丙酮在20-40°C、超声波5-10分钟脱脂清洗。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述碱洗处理是使用碱洗液进一步脱脂 以及清洗由于丙酮清洗表面而留下的残留物，所述碱洗液的具体组成为NaOH 10g/L-150g/L, Na2SiO3 20g/L-200g/L, Na3PO4 15g/L-150g/L, 碱洗的工艺条件为 温度40-80°C， 时间2-15分钟， pH 值8-12。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述漂洗处理是在室温20-40°C范围内对 碱洗后的镁合金进行漂洗。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述烘干处理是在25°C烘箱中持续 15min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述无铬化学转化处理中使用的处理液 成分为K3VO4:15g/L-120g/L, MnCO3:6g/L-20g/L, 促进剂=NaClO4 0. 5g/L-10g/L, 成膜剂=CaCO3 4g/L-40g/L ； 处理液工艺参数为 处理时间5-25分钟， 处理温度30-70°C ； 磁感应强度0. 1-2特斯拉。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述磁场方向垂直于镁合金样品的主要 工作面。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述磁场方向平行于镁合金样品的主要工作面。
全文摘要
本发明公开了一种制备镁合金表面转化耐蚀膜层的方法，该方法的步骤包括(1)脱脂处理清除镁合金表面的油脂；(2)碱洗处理采用碱洗进一步脱脂以及所述脱脂处理留下的残留物；(3)漂洗处理对碱洗处理后的镁合金进行漂洗；(4)烘干处理将所述镁合金烘干；(5)无铬化学转化处理将镁合金浸入无铬化学处理液中成膜；其特征在于，在所述无铬化学转化处理的同时，在外加磁场的作用下进行转化处理。该方法通过外加磁场优化转化膜的均匀性、致密性和化学特性。
文档编号C23C22/78GK101886258SQ20101021714
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月1日 优先权日2010年7月1日
发明者何广平, 屈敏, 朱亮, 赵明 申请人:北方工业大学