镁合金低污染化学镀技术研究

陈晓斌，段海峰

（华南理工大学 广州学院，广东 广州 510800）

1 镁合金的应用现状及面临的问题

镁是地壳中储藏量较多的金属元素之一，仅次于铝和铁而居第三位。镁的化合物占地壳总质量的2.35%；镁合金减震性好，可承受较大的冲击震动负荷。镁还具有优良的吸湿能力、流动性、尺寸稳定性、机械加工性能和电磁干扰屏蔽性能。

镁合金作为结构材料使用，具有广阔的前景。然而迄今为止，其应用潜力与现实之间依然存在巨大反差。造成这种现状的主要原因，就是镁的腐蚀问题。

由于镁的化学性质活泼，表现出很差的耐蚀性。虽然在其表面存在自氧化膜，但该膜薄且结构疏松，对基体的保护能力不强，即使在室温下也会与空气发生作用，不能适应大多数的使用环境。因此耐蚀性差，成为镁及其镁合金广泛应用的主要障碍之一。

2 镁合金的防腐蚀技术

为了搞好镁合金的防护工作，提高镁合金材料的使用寿命，到目前为止，已经开展了许多研究工作，有控制冶金因素、快速凝固处理和表面处理等，其中以表面处理应用最广。

表面处理技术，是材料表面改性和新材料制备的重要手段，因其工艺简单，成本低廉，而在世界范围内得到了广泛的应用。镁合金的表面处理方法很多，如化学转化、阳极/微弧氧化、离子注入、激光表面处理、电镀、化学镀等。

与其他处理方法相比，化学镀镍- 磷合金，可使基体材料获得良好的耐蚀性和耐磨性。同时还具有镀层厚度均匀、化学稳定性好、表面光洁平整、可操作性强、方法简单易于控制、可以在形状复杂的铸件上得到均匀的镀层、镀层的性能可以根据不同的需要进行调节等优点。因此，化学镀镍- 磷合金，已成为镁合金重要的表面处理方法之一。

3 本课题的研究目的和内容

研究目标为通过对现有工艺的镀前处理进行改进，以低污染与低成本工艺，实现在镁合金表面外观优良、耐蚀、耐磨化学镀层的原位制备。

研究内容为遵照ASTM 相关标准，实现镁合金的标准化学镀，以对化学镀机理的认识为基础，以化学镀镀前处理新技术的开发为突破口，实现镁合金低污染低成本化学镀技术的开发。

4 实验材料及研究方法

4.1 实验材料

实验所用材料为压铸镁合金AZ91D，主要化学组成如下表1 所示。

表1 压铸镁合金AZ91D 的主要化学组成(in w t%)

根据实验需要，制备了两类试样：

为减少工艺探索过程中溶液的消耗，一类试样先加工成30 mm×30 mm×32 mm 的尺寸，并在30 mm×32 mm 的面上紧靠30 mm×30 mm 面的一端钻孔，经150#~1000#水磨砂纸由粗到细依次打磨，自来水和蒸馏水先后漂洗后与铜导线相连。

另一类试样先线切割成50 mm×50 mm×2 mm的尺寸，并在50 mm×50 mm 的面上紧靠50 mm×2 mm 面的一端钻一通孔，经100#~1000#水磨砂纸由粗到细依次打磨，自来水和蒸馏水先后漂洗后，与铝导线相连，绝缘处理后置于干燥器待用。

实验中所用电解质全为AR，电解液以一次蒸馏水配置。为降低实验过程中的偶然误差，每组实验的平行样数目为4个。

4.2 化学镀施镀方法

化学镀工艺流程为：

打磨→水洗→镀前处理→化学镀→水洗→吹干。

为突出重点，研究中固定除镀前处理之外的所有工序，且以Dow 直接化学镀镍法所用镀液及操作条件进行化学镀施镀。通过考察施镀效果，从而对镀前处理工序进行简化，拟以更简单更环保的工序达到更佳或相当的镀前处理效果。

Dow直接化学镀镍法溶液配方：

4.3 性能测试研究方法

（1）电解液pH 值测定方法。按照一定组成和浓度对电解液进行复配后，以pHS-2C 精密级数字式酸度计对电解液的pH 值进行测试。实验室所用pHS-2C 型pH 计是利用复合电极对被测水溶液中不同的酸度产生直流电位，通过前置阻抗转换器，把高内阻的直流电位转变成低内阻的直流电位，输入到A／D 转换器，以达到pH 值数字显示。

应用pHS-2C 型pH 计测量溶液pH 值前，先接上电极杆后，再接通电源，然后选择测量项为pH 值，再让仪器预热10 min。然后，为了降低测量误差，在测量前须先选好测量温度并采用两点标定法，对仪器进行标定，之后方能测量待测溶液pH 值。

（2）化学镀镀前处理及施镀操作以及效果观察。将试样以不同的方法进行镀前处理后，观察并如实记录其表面形貌的变化。然后将试样浸入Dow 直接化学镀镍法所用镀液中，溶液温度以恒温水浴锅控制在75～82 ℃范围内，施镀时间控制为4 h。

由于操作温度较高，溶液蒸发损失较为严重，因此施镀期间需要定期向镀液中补充蒸馏水。待预设时间结束，将试样取出，以自来水将试样冲洗干净后，以吹风机将其吹干，之后以肉眼观察化学镀施镀效果。对于某些特殊试样，用金相抛光机对试样进行打磨，定性研究镀层的耐磨性、厚度、致密性以及与基体之间的结合状况等。

（3）微观结构研究方法。采用Leica 光学显微镜，对典型试样的微观形貌进行不同放大倍率的观察。

5 镁合金化学镀镀层微观结构研究及比较

为从结构角度认识不同化学镀镀前处理对施镀效果的影响，对典型试样的微观形貌进行光学显微镜（OM）观察，其结果如图1 到图4 所示。

图1 为01 样（编号为02 的实验所对应的试样，下同）即空白试样经HF 活化处理之后的结果。

图2 为02 样即按照ASTM 标准制备的试样的情况。

图3、图4 分别为03 样、04 样表面的化学镀镀层的情况。a 和b分别对应50×和500×的放大倍数。

图1～图4 典型试样微观形貌光学显微镜观察结果图

由图1～图4 可以看出：

（1）所有化学镀镀层的主体，都由球状颗粒堆积而成。不同球状颗粒之间的挤压痕迹非常明显。

（2）由于化学镀镀前处理工艺的差异，化学镀镀层在微观结构上存在显著不同。虽然空白试样经活化处理之后，也能形成完整镀层，但该镀层表层镶嵌有孤立的球状或念珠状镀粒，因此在微观尺度上粗糙、不均匀。ASTM 标准试样的表层，则分布有大量葡萄串状的组织，导致镀层的均匀性和光滑度明显降低。采用新的技术路线进行化学镀的镀前处理，所得镀层在均匀性和粗糙度方面则有显著改进。

（3）镀层表面或多或少分布有黑色斑点和微细孔洞。由于镀前处理的不同，黑斑和孔洞的密度不同。

6 结束语

通过实验研究，得出如下结论：

（1）采用新的镀前处理工艺，对试样进行化学镀镀前处理，不仅能促进化学镀镀层的顺利生长，而且所获得的镀层在外观品质与基体的结合力等方面，也有较大提高。

（2）通常情况下，对经过新的镀前处理工艺处理过的试样，进一步进行HF 活化处理，有利于促进随后的化学镀施镀过程，所获得的镀层品质也有较大提高。但在某些特殊的镀前处理工艺条件下，活化处理的作用并不明显。

（3）所有化学镀镀层的主体，都由球状颗粒堆积而成。由于化学镀镀前处理工艺的差异，化学镀镀层在微观结构上存在显著不同。采用新的技术路线进行化学镀的镀前处理，所得镀层在均匀性和粗糙度方面有显著改进。

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