專利名稱：一種制備鎂合金表面轉(zhuǎn)化耐蝕膜層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鎂合金表面處理方法，尤其涉及一種外加磁場的制備鎂合金表面 轉(zhuǎn)化耐蝕膜層的方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有密度低，比強度、比剛度高等優(yōu)良性能及易于回收，被譽為21世紀綠 色工程材料。但是鎂合金的耐腐蝕性能較差，原因在于一方面在于鎂的標準電極電位是所 有結(jié)構(gòu)金屬中最低的，另一方面，鎂合金表面氧化膜呈多孔狀結(jié)構(gòu)，對鎂合金基體并無良好 的腐蝕防護作用，這極大限制了鎂合金的應(yīng)用范圍。以化學(xué)方法在鎂合金表面上產(chǎn)生一層 與基體牢固結(jié)合的化合物轉(zhuǎn)化膜，可顯著提高鎂合金耐腐蝕性能。傳統(tǒng)的鎂合金化學(xué)轉(zhuǎn)化 處理技術(shù)主要采用含有鉻酸鹽轉(zhuǎn)化處理技術(shù)，但是鉻酸鹽轉(zhuǎn)化處理液含有高污染性化學(xué)物 質(zhì)Cr6+離子對環(huán)境有極大危害，此外；鉻酸鹽轉(zhuǎn)化技術(shù)所得的膜層存在大量微裂紋和孔 隙，耐蝕性能不理想，已成為制約轉(zhuǎn)化膜技術(shù)發(fā)展的瓶頸。因此，為保護環(huán)境實現(xiàn)可持續(xù)發(fā) 展，人們就一直不停尋求可替代鉻酸鹽轉(zhuǎn)化工藝的無鉻轉(zhuǎn)化技術(shù)。曾經(jīng)研究了磷酸鹽、磷酸 鹽-高錳酸鹽、鉬酸鹽、稀土及植酸等鎂合金轉(zhuǎn)化技術(shù)。但是都由于轉(zhuǎn)化膜層同樣存在著大 量微裂紋和孔隙，結(jié)合力差等缺點，難以滿足實際工程的需要。現(xiàn)有的轉(zhuǎn)化處理裝置主要包含電源、處理槽、加熱裝置、溫控裝置和玻璃棒。轉(zhuǎn)化 處置方法如下對處理槽中處理液進行加熱，使用熱電偶等裝置對處理液的溫度進行控制， 并伴有不斷攪拌。該制備轉(zhuǎn)化膜的方法簡單實用、成本低，具有普遍性和通用性。然而使用 這種方法，粒子的化學(xué)反應(yīng)雜亂無章，不利于控制轉(zhuǎn)化膜的生成，轉(zhuǎn)化膜的均勻性、致密性 和化學(xué)特性較差。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種制備鎂合金表面轉(zhuǎn)化耐蝕膜層的方法，該方 法通過外加磁場優(yōu)化轉(zhuǎn)化膜的均勻性、致密性和化學(xué)特性。上述目的是通過下述方案實現(xiàn)的一種制備鎂合金表面轉(zhuǎn)化耐蝕膜層的方法，該方法的步驟包括(1)脫脂處理清除鎂合金表面的油脂；(2)堿洗處理采用堿洗進一步脫脂以及所述脫脂處理留下的殘留物；(3)漂洗處理對堿洗處理后的鎂合金進行漂洗；(3)烘干處理將所述鎂合金烘干；(4)無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理將鎂合金浸入無鉻化學(xué)處理液中成膜；其特征在于，在所述無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的同時，在外加磁場的作用下進行轉(zhuǎn)化處理。根據(jù)上述方法，其特征在于所述脫脂處理是對鎂合金表面存在的油污物用丙酮 在20-40°C、超聲波5-10分鐘脫脂清洗。
根據(jù)上述方法，其特征在于所述堿洗處理是使用堿洗液進一步脫脂以及清洗由 于丙酮清洗表面而留下的殘留物，所述堿洗液的具體組成為NaOH10g/L_150g/L，Na2Si03 20g/L-200g/L,Na3P04 15g/L-150g/L,堿洗的工藝條件為溫度40-80°C，時間2-15分鐘，pH 值8_12。根據(jù)上述方法，其特征在于所述漂洗處理是在室溫20-40°C范圍內(nèi)對堿洗后的 鎂合金進行漂洗。根據(jù)上述方法，其特征在于所述烘干處理是在25°C烘箱中持續(xù)15min。根據(jù)上述方法，其特征在于所述無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理中使用的處理液成分為K3V04 :15g/L-50g/L,MnC03:6g/L_20g/L，促進劑NaC1040. 5g/L_10g/L，成膜劑CaC034g/L_40g/L ；處理液工藝參數(shù)為處理時間5_25分鐘，處理溫度30-70°C；磁感應(yīng)強度0. 1-2特斯拉。根據(jù)上述方法，其特征在于所述磁場方向垂直于鎂合金樣品的主要工作面。根據(jù)上述方法，其特征在于所述磁場方向平行于鎂合金樣品的主要工作面。


圖1是本發(fā)明的方法所使用的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-5分別是實驗1-4生成的轉(zhuǎn)化膜的掃描圖；圖6是不同條件下鎂合金轉(zhuǎn)化膜在5% NaCl溶液中的極化曲線圖。
具體實施例方式參見圖1，制備鎂合金表面轉(zhuǎn)化耐蝕膜層的裝置包括轉(zhuǎn)化處理槽3、熱電偶5、電加 熱器6和溫度控制器7。熱電偶5和電加熱器6分別與溫度控制器7電連接，電加熱器6 和熱電偶5位于轉(zhuǎn)化處理槽3中，且溫度控制器7根據(jù)熱電偶5測得的溫度控制電加熱器 6升溫降溫。在轉(zhuǎn)化處理槽3的外側(cè)設(shè)有產(chǎn)生磁場的磁場裝置，磁場裝置由鐵芯1和線圈2 組成，鐵芯1和線圈2環(huán)繞在轉(zhuǎn)化處理槽周圍，高度與轉(zhuǎn)化處理槽3相當(dāng)，且鐵芯1在線圈 2的外側(cè)。接入直流電后，磁場的方向處置與轉(zhuǎn)化處理槽3。制備鎂合金無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的外加磁場作用化學(xué)轉(zhuǎn)化方法采用如下措施1.前處理工藝鎂合金在磁場作用化學(xué)轉(zhuǎn)化處理之前，必須進行前處理，前處理過程關(guān)系到轉(zhuǎn)化膜層的均勻性，結(jié)合力和致密性等性能。在前處理過程中要達到清除鎂合金表面油脂等污 染物，為后續(xù)磁場作用下的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程做準備。前處理過程為(1)脫脂處理對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在20-40°C、超聲波5-10分鐘脫 脂清洗，以防止表面清洗不充分而化學(xué)轉(zhuǎn)化處理完成不充分。(2)堿洗處理采用堿洗進一步脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物。堿 洗液的具體組成為NaOH10g/L_150g/LNa2Si03 20g/L_200g/LNa3P04 15g/L_150g/L堿洗的工藝條件為溫度40_80°C，時間2-15分鐘，pH值8_12，在室溫20-40°C范圍內(nèi)對堿洗后的鎂合金進行漂洗。(3)烘干在25 °C烘箱中持續(xù)15min.2.無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理將鎂合金浸入無鉻化學(xué)處理液中，在外加磁場的作用下進行轉(zhuǎn)化處理。所用磁場 均為均勻磁場。(1)轉(zhuǎn)化液配方及處理工藝溶液配方為K3V04 :15g/L-50g/L,MnC03:6g/L_20g/L，促進劑NaC1040. 5g/L_10g/L，成膜劑CaC034g/L_40g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間5-25分鐘處理溫度30-70°C外加磁場藝參數(shù)為磁感應(yīng)強度0. 1-2特斯拉磁場是影響電化學(xué)動力學(xué)的有效手段之一。磁流體力學(xué)效應(yīng)作用于電極附近的擴 散層及粘滯層，能強化電極處的離子傳質(zhì)，改變離子的速度場。在外加磁場的條件下，Lorentz力引起的磁流體力學(xué)效應(yīng)顯著地影響了電化學(xué)過 程。溶液中的離子流切割磁力線時會受到Lorentz力的作用；Lorentz力使離子作螺旋線 定向運動，從而起到了處理液的攪拌作用，而且使離子作定向加速運動。因此，電化學(xué)過程 中外加磁場具有可調(diào)節(jié)離子傳輸過程。處理液中有很多離子，它們都是帶有正、負電荷的，沒有外力的情況下，這些粒子 雜亂無章的在溶液中運動，沒有規(guī)律。但是在外加磁場的作用下，由于磁場強度的作用，產(chǎn) 生洛倫茲力，加速帶點粒子的運動，加速了粒子的擴散，增加了界面之間粒子的流動，即加 速了成膜反應(yīng)的進行。而加速的粒子進行規(guī)則性的運動方式，從而使得膜層更加致密，生成 膜層的耐腐蝕性能更好。此外，本發(fā)明采用了新的處理液組合K3V04和MnC03處理液，對環(huán)境和人體健康的危害小。下面是4個實施例，分別針對傳統(tǒng)的成膜工藝、使用本發(fā)明處理液的成膜工藝、使 用本發(fā)明的處理液并外加垂直磁場和水平磁場的工藝。實施例1 對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一 步脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為Na0H:20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱 中持續(xù)15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，達到預(yù)定溫度后，把樣品置入。處理液配方Na2Cr207:200g/L ；HN03 :180g/L ；KF :16g/L，處理液工藝參數(shù)為處理時間為lmin，處理溫度在20°C。實施例2 對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一 步脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為Na0H:20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱 中持續(xù)15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，達到預(yù)定溫度后，把樣品置入。溶液配方為K3V04 :25g/LMnC03:16g/L,促進劑NaC104:4g/L，成膜劑CaC03:20g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間15分鐘，處理溫度60°C。實施例3 對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一 步脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為NaOH :20g/L, Na2Si03 :35g/L， Na3P04 :20g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱 中持續(xù)15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，加入磁場，達到預(yù)定溫度后，把樣品置 入。溶液配方為K3V04 :25g/LMnC03:16g/L,促進劑NaC104:4g/L，成膜劑CaC03:20g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間15分鐘，處理溫度60°C
外加磁場藝參數(shù)為磁場方向垂直于鎂合金主要工作面，即面積較大的面磁感應(yīng)強度0. 5特斯拉實施例4 對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一步 脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為NaOH 20g/L, Na2Si03 35g/L, Na3P04 20g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱中持續(xù) 15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，加入磁場，達到預(yù)定溫度后，把樣品置入。處理液配方為K3V04 :25g/LMnC03 :16g/L,促進劑NaC1044g/L，成膜劑CaC0320g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間15分鐘，處理溫度60°C外加磁場藝參數(shù)為磁場方向水平于鎂合金主要工作面，即面積較大的面，磁感應(yīng)強度0.5特斯拉實施例5:對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一 步脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為NaOH :20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱 中持續(xù)15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，加入磁場，達到預(yù)定溫度后，把樣品置 入。溶液配方為K3V04 :15g/LMnC03 :6g/L,促進劑NaC104:0. 5g/L，成膜劑CaC03:4g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間5分鐘，處理溫度70°C外加磁場藝參數(shù)為磁場方向垂直于鎂合金主要工作面，即面積較大的面磁感應(yīng)強度0. 1特斯拉實施例6:對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一步 脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為NaOH 20g/L, Na2Si03 35g/L, Na3P0420g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱中持續(xù) 15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，加入磁場，達到預(yù)定溫度后，把樣品置入。處理液配方為K3V04 :50g/LMnC03 :20g/L,促進劑NaC10410g/L，成膜劑CaC0340g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間25分鐘，處理溫度30°C外加磁場藝參數(shù)為磁場方向水平于鎂合金主要工作面，即面積較大的面，磁感應(yīng)強度2特斯拉實施例7:對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一 步脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為Na0H:20g/L，Na2Si03 :35g/L, Na3P04 :20g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱 中持續(xù)15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，加入磁場，達到預(yù)定溫度后，把樣品置 入。溶液配方為K3V04 :15g/LMnC03 :6g/L,NaC104 lOg/L成膜劑CaC03:4g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間5分鐘，處理溫度70°C外加磁場藝參數(shù)為磁場方向垂直于鎂合金主要工作面，即面積較大的面磁感應(yīng)強度0. 1特斯拉實施例8:對鎂合金表面的存在油污物用丙酮在25°C、超聲波清洗6分鐘，采用堿洗進一步 脫脂以及由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，堿洗液為NaOH 20g/L, Na2Si03 35g/L, Na3P04 20g/L ；溫度為45°C，時間6分鐘，pH值為9，室溫30°C，進一步堿洗后，在25°C烘箱中持續(xù) 15min。對轉(zhuǎn)化槽中配好的處理液通電加熱，加入磁場，達到預(yù)定溫度后，把樣品置入。處理液配方為K3V04 :50g/LMnC03 :20g/L,NaC104 0. 5g/L,
成膜劑CaC0340g/L處理液工藝參數(shù)為處理時間25分鐘，處理溫度30°C外加磁場藝參數(shù)為磁場方向水平于鎂合金主要工作面，即面積較大的面，磁感應(yīng)強度2特斯拉在實施例5-8中，磁場的作用下的鎂合金轉(zhuǎn)化膜顯示出較少的裂紋和孔隙，通過 試驗得知在磁感應(yīng)強度為0. 5特斯拉時鎂合金轉(zhuǎn)化膜表現(xiàn)出比其他磁感應(yīng)強度下轉(zhuǎn)化膜 更突出的表面特點。圖2-5中的轉(zhuǎn)化處理膜的掃描圖分別對應(yīng)上述實施例1-4。從掃描電鏡圖中可以看出，實施例1條件下轉(zhuǎn)化膜腐蝕均勻，但有裂紋(參見圖 1)；實施例2條件下，轉(zhuǎn)化膜裂紋和孔隙較為明顯(參見圖2)；實施例3條件下，轉(zhuǎn)化膜中 無裂紋，表面致密(參見圖3)；實施例4條件下，轉(zhuǎn)化膜中裂紋和孔隙較少(參見圖4)。極化曲線測試的腐蝕電位與腐蝕電流的關(guān)系曲線，通過分析研究極化曲線能夠解 釋金屬腐蝕的基本規(guī)律、揭示金屬腐蝕機理。圖6是不同條件下鎂合金轉(zhuǎn)化膜在5% NaCl 溶液中的極化曲線圖。標注1是實施例1條件下鎂合金轉(zhuǎn)化膜在5% NaCl溶液中的極化曲 線圖；標注2實施例2條件下鎂合金轉(zhuǎn)化膜在5% NaCl溶液中的極化曲線圖；標注3是在 實施例4條件下鎂合金轉(zhuǎn)化膜在5% NaCl溶液中的極化曲線圖；標注4是在實施例3條件 下鎂合金轉(zhuǎn)化膜在5% NaCl溶液中的極化曲線圖。通過分析極化曲線圖得出不同條件下鎂合金在腐蝕過程中的腐蝕電位和腐蝕電 流，如表1所示。從表中可以看出，實施例3下鎂合金的腐蝕電位最高，腐蝕電流最小，因此 耐蝕性能最好。表 權(quán)利要求
一種制備鎂合金表面轉(zhuǎn)化耐蝕膜層的方法，該方法的步驟包括(1)脫脂處理清除鎂合金表面的油脂；(2)堿洗處理采用堿洗進一步脫脂以及所述脫脂處理留下的殘留物；(3)漂洗處理對堿洗處理后的鎂合金進行漂洗；(3)烘干處理將所述鎂合金烘干；(4)無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理將鎂合金浸入無鉻化學(xué)處理液中成膜；其特征在于，在所述無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的同時，在外加磁場的作用下進行轉(zhuǎn)化處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述脫脂處理是對鎂合金表面存在的油 污物用丙酮在20-40°C、超聲波5-10分鐘脫脂清洗。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述堿洗處理是使用堿洗液進一步脫脂 以及清洗由于丙酮清洗表面而留下的殘留物，所述堿洗液的具體組成為NaOH 10g/L-150g/L, Na2SiO3 20g/L-200g/L, Na3PO4 15g/L-150g/L, 堿洗的工藝條件為 溫度40-80°C， 時間2-15分鐘， pH 值8-12。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述漂洗處理是在室溫20-40°C范圍內(nèi)對 堿洗后的鎂合金進行漂洗。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述烘干處理是在25°C烘箱中持續(xù) 15min。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理中使用的處理液 成分為K3VO4:15g/L-120g/L, MnCO3:6g/L-20g/L, 促進劑=NaClO4 0. 5g/L-10g/L, 成膜劑=CaCO3 4g/L-40g/L ； 處理液工藝參數(shù)為 處理時間5-25分鐘， 處理溫度30-70°C ； 磁感應(yīng)強度0. 1-2特斯拉。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述磁場方向垂直于鎂合金樣品的主要 工作面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述磁場方向平行于鎂合金樣品的主要工作面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備鎂合金表面轉(zhuǎn)化耐蝕膜層的方法，該方法的步驟包括(1)脫脂處理清除鎂合金表面的油脂；(2)堿洗處理采用堿洗進一步脫脂以及所述脫脂處理留下的殘留物；(3)漂洗處理對堿洗處理后的鎂合金進行漂洗；(4)烘干處理將所述鎂合金烘干；(5)無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理將鎂合金浸入無鉻化學(xué)處理液中成膜；其特征在于，在所述無鉻化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的同時，在外加磁場的作用下進行轉(zhuǎn)化處理。該方法通過外加磁場優(yōu)化轉(zhuǎn)化膜的均勻性、致密性和化學(xué)特性。
文檔編號C23C22/78GK101886258SQ20101021714
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月1日
發(fā)明者何廣平, 屈敏, 朱亮, 趙明 申請人:北方工業(yè)大學(xué)