鎂合金AZ31環(huán)保型陽極氧化工藝及基礎理論研究.pdf

1、本文以鎂合金AZ31為研究對象，成功研發(fā)了兩種綠色環(huán)保型鎂合金陽極氧化的電解質溶液配方及其工藝，兩種工藝的過程、機理完全不同，但各具優(yōu)點，均能顯著提高鎂及其合金以耐蝕性為主的表面綜合防護性能，且其配方中不含鉻、磷、氟等對環(huán)境和人類健康有毒有害的組分。在此基礎上，進一步就各種工藝參數(shù)及添加劑對鎂合金陽極氧化成膜過程及膜層性能的影響展開系統(tǒng)研究，并對兩種不同的陽極氧化成膜機理和腐蝕防護機理進行深入探討，研究結果對豐富鎂合金腐蝕與防護理論、形

2、成環(huán)保型陽極氧化新工藝、促進鎂合金材料的應用具有重要意義。 借助動電位極化技術對在不同電解質溶液中所獲得的氧化膜進行快速抗腐蝕能力評價，采用XRD、EDS等儀器確定氧化膜的結構及成份，利用SEM觀察氧化膜的表面形貌，綜合考察氧化膜的各方面性能，確定了兩種陽極氧化電解質溶液的有效組分。通過考察電解質溶液各組分濃度、施加電流密度、溫度以及處理時間等因素對鎂合金陽極氧化成膜過程及效果的影響，獲得了以抗腐蝕性為主的表面綜合防護性能最優(yōu)的

3、有、無電火花兩種陽極氧化工藝。兩種工藝各具優(yōu)點，且電解質溶液配方中不含鉻、磷、氟的化合物等對環(huán)境和人類健康有毒有害的組分，屬綠色環(huán)保型配方，具有較高的應用價值。 各種因素對鎂陽極氧化成膜過程及膜層性能的影響研究結果表明，電解質溶液是影響鎂陽極氧化成膜效果的決定性因素，其組成成分不同，成膜現(xiàn)象及所得膜層的結構及其性能不同。施加電流密度對兩種類型的陽極氧化的影響都很大；升高溫度對于無電火花陽極氧化的影響很大，可以大大提高氧化膜的抗腐

4、蝕性能，改善氧化膜的表面形貌；而對于電火花陽極氧化作用恰恰相反，升高溫度不利于氧化膜耐腐蝕性能的提高。氧化膜的抗腐蝕性能不僅與膜厚有關，還取決于氧化膜成分、結構及表面形貌等因素。 添加劑的作用研究發(fā)現(xiàn)，在無電火花陽極氧化過程中，草酸鈉不僅改變了成膜過程，而且有利于改善氧化膜的抗腐蝕性能；而在電火花陽極氧化過程中，碳酸鈉和苯酚的添加都可以提高氧化膜的耐腐蝕性，苯酚的作用更大，在提高氧化膜抗腐蝕性能的同時還可以使氧化膜表面變得光滑平

5、整致密。 對于成膜機理，首先由熱力學分析獲得氧化膜穩(wěn)定存在的條件，然后分別從電化學行為、膜層中元素的富集、氧化膜形貌變化、氧化膜生長動力學等幾個角度對氧化膜的生長過程進行分析，進而提出氧化膜的成膜機理。在無電火花陽極氧化過程中，鎂陽極氧化膜穩(wěn)定存在的條件為pH>11.475。氧化膜生成過程的形貌觀察表明，初始氧化膜在陽極表面某些部位優(yōu)先生長，而且由于鎂與氫氧化鎂(氧化膜的主要組成成分)二者的P/B比大于1，氧化膜內部存在壓力，氧

6、化膜表面出現(xiàn)裂縫。陽極氧化過程遵循法拉第電解定律，理想情況下，即在“電流效率為百分之百”和“陽極膜由均勻致密的Mg(OH)<,2>組成”的假設條件下，試樣不斷增厚，增厚厚度T<,i>=0.5776it。膜層發(fā)生的主要反應為金屬鎂的陽極溶解和鎂離子與氫氧根的結合。硼酸鈉在陽極氧化中起到類似催化劑的作用，不參與反應，但可以加速成膜反應。電火花陽極氧化行為研究發(fā)現(xiàn)，鎂合金電火花陽極氧化過程主要包括兩個階段：第一階段為電火花出現(xiàn)之前，電壓隨時間

7、迅速升高，首先發(fā)生硅酸根和Mg(OH)<,x>的沉積，進而由于高電壓、大電流在界面產生的巨大焦耳熱，使膠體層進一步發(fā)生濃縮，脫水和快速冷卻，形成結構致密的薄的非晶態(tài)膜層。第二階段：電火花四處移動，氧化膜層先橫向再縱向生長，實際是舊膜的火花破壞、修復以及新膜同時形成的過程。該階段由于在致密層中電子流難以導通，隨著陽極氧化的進行，電阻逐漸增大，電極電壓不斷升高，當電壓超過膜層的臨界擊穿電壓時，產生電火花現(xiàn)象?；鸹ǚ烹姮F(xiàn)象一旦發(fā)生，隨著火花的

8、移動，氧化膜在橫向不斷加大對基體金屬表面的覆蓋率，在縱向則不斷互相重疊增加自身的厚度。 首次將分形理論用于研究鎂合金陽極氧化成膜過程，運用圖像處理技術對氧化膜/基體金屬界面進行邊緣提取，根據(jù)網(wǎng)格法計算原理，編制計算機程序，得到如下重要結論，即，兩種陽極氧化過程氧化膜的生長均為化學反應控制。 將鎂合金陽極氧化膜的腐蝕過程分成浸泡初期與浸泡后期兩個階段。提出了各自的腐蝕機理，分析了腐蝕過程的具體步驟。分別對氧化膜不同腐蝕階段