專利名稱：鎂合金零件的無鉻表面處理方法
技術領域：
本發明屬于冶金及金屬材料加工行業中的加工工藝及表面處理方法，具體涉及一種鎂合金零件的無鉻表面處理方法。
背景技術：
鎂合金具有質量輕、比強度高、散熱性佳、吸震性好、電磁屏蔽性好、回收性好等特性，主要用作3C產業(計算機、通訊、消費性電子)的產品零件，以及在汽車、航空航天、兵器、火車、自行車等交通工具領域，鎂合金也是極佳的零件材料選擇對象，可減輕重量降低油耗等。此外，休閑娛樂用品，家庭和旅行辦公用品，手工工具，亦開始大量使用鎂合金制造。我國的鎂資源十分豐富，而鎂合金的加工技術卻十分缺乏，特別是鎂合金的無鉻表面處理技術更是很不成熟。發展鎂合金的加工技術以及表面處理技術，成為擴大鎂合金應用的當務之急。
鎂是極活潑的金屬，標準電極電位較低，導致鎂合金的耐腐蝕性很差。對鎂合金表面進行處理得到防蝕膜層可以有效提高其防腐蝕性能。現有的鎂合金表面處理技術通常采用鉻系元素溶液對鎂合金進行處理，以形成一層致密膜來防止鎂合金被腐蝕。這種工藝在第二次世界大戰期間廣泛用于軍事工業。由于這種方法簡單、經濟、有效，至今仍廣泛應用。應用最普遍的是美國的Dow 1處理方法，但是由于形成的轉化膜中含有高污染性化學物質鉻離子，處理槽中所揮發出含鉻離子的有毒氣體，威脅作業員健康；另一方面，鉻離子不容易沉降，其排放需要進行廢水處理，導致廢水處理成本的提高。由于鉻鹽對環境危害大，排放受到環保法規的限制，出現了減少鉻酸鹽用量的化學氧化處理工藝。
近些年來，由于環境保護的需要，無鉻化學轉化膜工藝的開發受到重視。如三井金屬礦業株式會社的松島英明(發明專利申請號00133152.3，公開號CN1294203A)等提供了一種鎂合金表面處理方法。訪發明的無鉻轉化處理液成份為磷酸鹽、醋酸鹽及高錳酸鉀，采用磷酸鈉，醋酸鈉以及醋酸作為處理液的PH調節劑，其抗腐蝕能力有待提高。
發明目的本發明的目的在于提供一種能克服上述缺陷的鎂合金零件的無鉻表面處理方法；本發明既能增強鎂合金的防腐蝕性能，又能降低環境污染且改善生產工作環境。
本發明提供的鎂合金零件的無鉻表面處理方法，依次包括以下步驟①有機溶劑清洗采用脫脂有機溶劑對鎂合金零件表面進行清洗，對于非切削加工零件，先進行拋光處理；有機溶劑清冼和拋光處理后均用水對零件加以清洗。
②堿性溶液清洗采用堿洗液對零件進行進一步脫脂處理，堿洗溫度為80℃～90℃，堿洗時間為5min～10min，再用水對零件加以清洗；③焦磷酸鹽浸漬用清水洗滌后，將鎂合金零件放入焦磷酸鹽表面激活溶液中浸漬0.5min～5min，進行表面激活，再用水對零件加以清洗；④高錳酸鹽轉化處理將零件放入化學處理溶液中進行表面轉化處理，化學處理液的成分與配比為高錳酸鉀，10g/L～100g/L，磷酸氫二鹽，10g/L～120g/L，余量為水，再加入磷酸使處理液的PH值為1～6；處理溫度為20℃～60℃，處理時間為1min～20min；然后用水對零件加以清洗；⑤烘干對轉化處理完成后的鎂合金零件進行干燥處理，烘干溫度為60℃～80℃。
本發明對鎂合金零件進行高錳酸鉀-磷酸氫二鹽無鉻化學轉化處理，使其形成保護膜，并達到美化鎂合金產品的目的。本發明克服了現有鉻系處理液技術的缺陷，它既能增強鎂合金的防腐蝕性能，又能降低環境污染且改善生產工作環境。下面分別對本發明所得膜的厚度，附著力和耐蝕性能加以說明。
轉化膜厚度測量采用日本產LH-900J型渦電流式非磁性金屬膜厚計。結果表明，采用本發明的方法進行鎂合金零件的表面化學轉化處理，所得的轉化膜致密，膜厚在6μm～10μm左右，膜厚均勻。
轉化膜附著力的測量采用劃格法。利用劃格法的百格試驗結果表明，轉化膜與基體的附著性好，無脫附現象發生。
鹽霧試驗采用FQY015型鹽霧腐蝕試驗箱。耐蝕性的試驗根據國標GB2432.17-81及ASTM B117-97進行。對鎂合金試件鹽霧試驗后的評定采用銹蝕面積率的評級方法。耐腐蝕試驗結果鹽霧試驗溫度為40℃，鹽霧沉積率為1.1mL/80cm2.h，試驗時間為24h，噴霧方式為連續噴霧。以Dow 1工藝處理的試樣作為對比試樣。結果表明，本發明的無鉻處理液所得轉化膜的表面腐蝕率為8％，而Dow 1工藝處理工件的表面腐蝕率為21％。也就是說，本發明的無鉻處理液所得轉化膜的耐蝕性優于Dow 1工藝處理的試樣的耐蝕性。
本發明及三井法的處理液都采用KMnO4作為氧化加速劑。但是三井法采用磷酸鈉，醋酸鈉以及醋酸作為處理液的PH調節劑。而本發明用磷酸作為調節劑，既可以調節處理液的游離酸度、總酸度，又可以調節酸度比。采用鹽霧試驗法研究本發明所得膜的耐蝕性能，本發明所得膜比三井法所得的膜更厚。采用百格試驗測定膜的附著力，這兩種方法所得膜附著力相當。以兩種轉化膜作為漆膜基層，在其上噴涂醇酸樹脂漆并作24小時連續鹽霧試驗(鹽霧試驗溫度為30℃，鹽霧沉積率為1.1mL/80cm2.h)，本發明所得膜上加漆層的表面面積腐蝕率為7％，而三井法所得膜加漆層的表面面積腐蝕率為12％。由此可知，本發明所得膜厚比三井法所得膜更厚，而附著力與三井法相當，其作為基層上涂加漆層的抗腐蝕能力高于三井法作為基層涂加漆層的防蝕性能。


圖1為鎂合金表面處理流程圖；圖2為采用本發明處理后的鎂合金零件的無鉻表面轉化膜的橫截面圖，圖中1-鑲樣樹脂 2-1#處理液轉化膜 3-β相Mg17Al124-AZ91D鎂合金基體。
具體實施例方式
本發明方法的工藝流程如圖1所示，下面結合實施例加以具體說明。
①有機溶劑清冼本發明所處理的鎂合金零件可以是壓鑄件、砂型鑄造零件或塑性成形零件，也可以是切削加工后的零件。對于非切削加工零件，先進行機械打磨或拋光。
待處理零件表面可能存在模具涂覆劑或切削油等臟污物，采用有機溶劑清洗，以防止表面清洗不充分而化學轉化處理完成不充分。有機溶劑可以是丙酮或其它脫脂有機溶劑。
②堿性溶液清洗采用堿性溶液作進一步脫脂處理。堿性溶液的組分列舉如下氫氧化鈉(NaOH)15g/L～40g/L，磷酸鈉(Na3PO4)40g/L～80g/L，硅酸鈉(Na2SiO3)15ml/L～40ml/L，余量為水。加入硅酸鈉主要是使清洗液能夠與鎂合金表面充分接觸及附著，從而達到提高清洗的效果。而加入磷酸鈉是為了增加堿洗液的洗滌效力。堿洗溫度為80℃～90℃，堿洗時間為5min～10min。
③焦磷酸鹽浸漬用清水洗滌后，將鎂合金零件放入焦磷酸鹽溶液中浸漬0.5min～5min，進行表面激活。表面激活溶液為焦磷酸鹽溶液，焦磷酸鹽可以是焦磷酸鈉、焦磷酸鉀或焦磷酸鈣。
④高錳酸鹽轉化處理對浸漬后的零件進行表面轉化處理。化學處理液的組分為高錳酸鉀10g/L～100g/L，磷酸氫二鹽10g/L～120g/L，余量為水。磷酸氫二鹽可以是磷酸氫二鈉或磷酸氫二鉀。化學轉化處理的溫度為20℃～60℃，處理時間為1min～20min，處理時間可根據溫度高低及溶液濃度的變化進行調節。
由于磷酸氫二鹽水溶液呈堿性，應使用酸作為處理液的PH值調節劑。由于磷酸根離子的濃度大，本發明選用磷酸調節溶液的酸堿度。在處理液中加入磷酸，使其PH值在1～6范圍內，這樣既可以保持較快的轉化速度又可得到較高質量的膜。
酸度比是處理液的一項很重要的性質，酸度比過小時，游離酸度高，則在金屬表面上發生毫不需要的酸蝕作用，延長了成膜反應時間，最后導致生成粗糙雜亂的結晶膜層。酸度比過大，則游離酸度低，造成反應膜反應的活性降低，生成粉狀膜層。而采用磷酸作為調節劑，既可以調節處理液的游離酸度、總酸度，又可以調節酸度比。經多次試驗發現處理液的PH過小時，所得膜由于致密性嚴重下降而失去實用意義；而PH過大時，其轉化速度過于緩慢，且膜增長速度過于緩慢。
⑤烘干將轉化處理完成后的鎂合金零件進行烘干，烘干溫度為60℃～80℃。
圖2所示為高錳酸鹽—磷酸鹽轉化膜的橫截面金相組織圖。從圖上可以看到，膜的厚度比較均一而且連續，與基體(白色部分)的結合較好。
實施例1將AZ91D鎂合金試樣用拋光機打磨，或用300#，800#，1500#砂紙進行機械打磨。然后將試樣在室溫下用丙酮清洗。用自來水清洗0.5min，干燥后，用堿性溶液(NaOH 30g/L Na2SiO320ml/L Na3PO480g/L)進行堿洗脫脂。堿洗溫度為80℃，而堿洗時間為8min。自來水清洗0.5min后，將試樣浸入焦磷酸鈉溶液中進行3min浸漬。用自來水0.5min清洗后，把經過以上處理的試樣放入如表1所示的實施例1的化學處理液中，并且處理溫度和處理時間如表1中所示。之后用自來水清洗，再用在60℃下進行烘干處理。轉化膜的性能試驗結果如表2所示。
實施例2將AM50鎂合金零件試樣用拋光機打磨，或用300#，800#，1500#砂紙進行機械打磨。然后將試樣在室溫下用有機溶劑清洗。用自來水清洗0.5min，干燥后，用堿性溶液(NaOH 20g/L Na2SiO340ml/L Na3PO460g/L)進行堿洗脫脂。堿洗溫度為90℃，而堿洗時間為6min。自來水清洗0.5min后，將試樣浸入焦磷酸鉀溶液中進行5min浸漬。用自來水0.5min清洗后，把經過以上處理的試樣放入如表1所示的實施例2的化學處理液中，并且處理溫度和處理時間如表1中所示。之后用自來水清洗，再在70℃下進行烘干處理。轉化膜的性能試驗結果如表2所示。
實施例3將AZ91D鎂合金零件的試樣用拋光機拋光，然后將試樣在室溫下用丙酮清洗。用自來水清洗0.5min，干燥后，用堿性溶液(NaOH 40g/L Na2SiO315ml/L Na3PO440g/L)進行堿洗脫脂。堿洗溫度為85℃，而堿洗時間為6min。自來水清洗0.5min后，將試樣浸入焦磷酸鈣溶液中進行0.5min浸漬。用自來水0.5min清洗后，把經過以上處理的試樣放入如表1所示的實施例3的化學處理液中，并且處理溫度和處理時間如表1中所示。之后用自來水清洗，再用在80℃下進行烘干處理。轉化膜的性能試驗結果如表2中實施例3的結果所示。
表1實施例與比較例的處理液組成

表2實施例與比較例的轉化膜的性能實驗結果

權利要求
1.一種鎂合金零件的無鉻表面處理方法，依次包括以下步驟①有機溶劑清冼采用脫脂有機溶劑對鎂合金零件表面進行清洗，對于非切削加工零件，先進行拋光處理；有機溶劑清冼和拋光處理后均用水對零件加以清洗，②堿性溶液清洗采用堿性溶液對零件進行進一步脫脂處理，堿洗溫度為80℃～90℃，堿洗時間為5min～10min，再用水對零件加以清洗；③焦磷酸鹽浸漬用清水洗滌后，將鎂合金零件放入焦磷酸鹽表面激活溶液中浸漬0.5min～5min，進行表面激活，再用水對零件加以清洗④高錳酸鹽轉化處理將零件放入化學處理溶液中進行表面轉化處理，化學處理液的成分與配比為高錳酸鉀，10g/L～100g/L，磷酸氫二鹽，10g/L～120g/L，余量為水，再加入磷酸使處理液的PH值為1～6；處理溫度為20℃～60℃，處理時間為1min～20min；然后用水對零件加以清洗；⑤烘干對轉化處理完成后的鎂合金零件進行干燥處理，烘干溫度為60℃～80℃。
2.根據權利要求1所述的表面處理方法，其特征在于步驟②中的堿洗液的組分為氫氧化鈉15g/L～40g/L，磷酸鈉40g/L～80g/L，硅酸鈉15ml/L～40ml/L，余量為水。
3.根據權利要求1或2所述的表面處理方法，其特征在于步驟③中的焦磷酸鹽為焦磷酸鈉、焦磷酸鉀或焦磷酸鈣。
4.根據權利要求1或2所述的表面處理方法，其特征在于步驟④中磷酸氫二鹽為磷酸氫二鈉或磷酸氫二鉀。
5.根據權利要求3所述的表面處理方法，其特征在于步驟④中磷酸氫二鹽為磷酸氫二鈉或磷酸氫二鉀。
全文摘要
本發明公開了一種鎂合金零件的無鉻表面處理方法，通過對鎂合金零件運用非鉻元素進行化學轉化處理，以形成保護膜，從而達到提高鎂合金的防腐蝕能力，以及作為涂層的基層的目的。本方法包括脫脂工序，表面激活工序，表面非鉻系轉化處理工序，烘干工序。本方法的主要特征在于采用表面激活工序，以及表面無鉻處理溶液的組成及處理工藝。表面激活工序采用焦磷酸鹽對零件進行浸漬處理。轉化處理液組成有高錳酸鉀(10g/l～100g/l)，磷酸氫二鹽(10g/l～120g/l)，磷酸等。控制溶液的pH值在1～6范圍內，處理溫度為20℃～60℃。此處理法獲得的轉化膜的耐蝕性優于鉻酸鹽處理法，而且沒有鉻酸鹽對環境的污染和對人體健康的危害。
文檔編號C23C22/07GK1523133SQ0312539
公開日2004年8月25日 申請日期2003年9月5日 優先權日2003年9月5日
發明者吳樹森, 羅吉榮, 毛有武, 趙明 申請人:華中科技大學