3C镁合金在模拟汗液中的腐蚀行为与防护技术研究

论文摘要

金属材料的腐蚀与防护一直是材料工作者们研究的重点和难点。现代社会的腐蚀与防护早已不单纯是技术问题,而是关系到环境保护、节约能源、节省材料、保证正常生产和人身安全、发展新技术等一系列重大的社会和经济问题。镁合金因诸多优良的性能,在3C产品（计算机类、消费类电子产品、通讯类）、航天航空、汽车制造等领域得到日益广泛的应用,被誉为“二十一世纪绿色工程材料”。但镁合金因镁性质活泼,腐蚀后的产物酥松等原因导致耐蚀性差,这已成为镁合金更广泛应用的主要障碍。本文选择了三种在3C领域应用广泛的铸造镁合金AZ31、AZ61、AZ80,研究了其在模拟汗液中的腐蚀行为。三种镁合金在模拟汗液中耐蚀性均不好,能自发的产生局部腐蚀。汗液中三种主要组分在镁合金的腐蚀过程中起着不同的作用:乳酸加速腐蚀;NaCl引起局部腐蚀;尿素吸附在镁合金表面,起着延缓腐蚀的作用。文中通过交流阻抗实验、失重实验、表面分析研究了铝含量不同的三种镁合金的耐蚀性能,率先提出镁合金的耐蚀性能随着合金中铝含量的增加而增强。腐蚀产物的XRD显示,三种镁合金腐蚀产物均为Mg（OH）2。为获得更详细的3C镁合金与人体汗液接触后的腐蚀行为的信息,本文借助椭圆偏振法模拟出了3C产品与汗液接触的情形。分析椭圆偏振数据显示AZ80镁合金与模拟汗液充分接触一次后,黏附在表面的汗液会腐蚀表面约2.04分钟,此时表面液膜厚度约3.5纳米。与模拟汗液多次接触后的镁合金表面可以用三层结构模型（Cauchy-EMA-substrate）来描述。通过拟合实验数据,得到了各层厚度及光学常数。EMA和Cauchy层厚度随着接触次数增加和时间的延长而增加,但增加速度逐渐减小。拟合结果还显示,表面腐蚀产物膜的折射率为1.45-1.62,酥松的腐蚀产物不能给基体提供有效的保护作用,镁合金进行涂装前必须经过表面处理。利用椭圆偏振法现场监测短时间微量腐蚀体系,并从理论上对椭圆偏振参数的物理意义做出解释是本论文提出的全新的研究方法。针对3C产品外壳材料表面处理的特殊要求,本文制备了“绿色”钙系转换液处理镁合金,并获得较为理想的表面膜。正交实验得到最佳处理工艺参数为:磷酸二氢钙浓度为35 g/L,偏钒酸氨浓度为1.5 g/L ,植酸浓度为1 g/L,处理时间为5分钟。极差分析表明处理时间对表面膜的厚度和耐蚀性影响最大,磷酸二氢钙、偏钒酸氨浓度其次,植酸组分浓度对二者影响最小。在成膜过程中磷酸二氢钙是主成膜剂,钙盐是构成膜层的主要成分;偏钒酸氨是成膜助剂;植酸起到一个成膜添加剂的作用。极化曲线显示镀膜后电流密度降低了一个数量级,而且阳极曲线出现了一个较长的钝化平台,腐蚀速度明显减慢。长时间浸泡转化膜后的交流阻抗谱表明膜层在长时间的浸泡中可以分为三个阶段:膜生长（0-18h）;膜稳定（18-30h）;膜衰退（30h小时后）。膜层的性能测试显示该转化膜耐蚀性、耐冲击性能良好,附着力为1级。膜层亲水性强,导电性好,是理想的涂装底层。镁合金绿色缓蚀剂的研究一方面能拓宽镁合金的应用领域,另一方面对镁合金化学转换处理具有积极的引导作用。本论文首次报道了镁合金有机/无机复合缓蚀剂,并对其缓蚀效率,缓蚀机理进行了深入系统地研究。单独的Na2SiO3或十二烷基苯磺酸钠（SDBS）对镁合金在NaCl溶液中有一定的缓蚀作用,但效果欠佳,而二者的复合缓蚀剂能取得较好的效果。复合缓蚀剂在Na2SiO3浓度为1mM,SDBS浓度为2mM时缓蚀效率最高,为95%。机理探讨认为Na2SiO3能使镁合金表面生成的腐蚀产物层更加致密,SDBS的加入能增强腐蚀产物与基体的结合力,增强表面产物膜的韧性。Na2SiO3和SDBS的协同作用使得复合缓蚀剂对镁合金在NaCl溶液中具有非常好的缓蚀效果。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁及镁合金
• 1.3 镁合金的腐蚀行为
• 1.3.1 镁合金的腐蚀类型
• 1.3.2 镁合金的腐蚀机理
• 1.4 镁合金的防护研究现状
• 1.4.1 化学转换
• 1.4.2 电镀
• 1.4.3 阳极氧化
• 1.4.4 微弧氧化
• 1.4.5 其他表面处理方法
• 1.4.6 镁合金缓蚀剂研究
• 1.5 本论文的选题背景、研究方法和主要内容
• 1.5.1 选题背景
• 1.5.2 研究方法
• 1.5.3 主要研究内容
• 2 3C 镁合金在模拟汗液中的腐蚀行为
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂
• 2.2.2 主要实验仪器
• 2.2.3 模拟汗液溶液的配置
• 2.2.4 电极材料及制备
• 2.2.5 电化学测试
• 2.2.6 失重实验
• 2.2.7 表面分析
• 2.2.8 腐蚀介质本体pH 的变化测试
• 2.3 实验结果及讨论
• 2.3.1 三种镁合金在模拟汗液中的动电位极化曲线
• 2.3.2 AZ61 镁合金在汗液三种组分中的动电位极化曲线
• 2.3.3 三种镁合金在模拟汗液中的交流阻抗谱
• 2.3.4 失重结果及讨论
• 2.3.5 表面形貌分析
• 2.3.6 腐蚀机理分析
• 2.3.7 Al 含量对镁合金耐蚀性的影响
• 2.4 本章小结
• 3 镁合金与模拟汗液接触后的腐蚀行为
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验试剂
• 3.2.3 模拟汗液溶液的配置
• 3.2.4 原位椭圆偏振光谱装置
• 3.2.5 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 镁合金与模拟汗液接触后的表面变化
• 3.3.2 镁合金表面与模拟汗液多次接触后的表面变化
• 3.4 本章小结
• 4 镁合金化学转换处理
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验试剂
• 4.2.3 工艺流程
• 4.2.4 评估方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 化学转换工艺参数确定
• 4.3.2 电化学测试
• 4.3.3 表面形貌分析
• 4.3.4 表面亲/疏水性测试
• 4.4 本章小结
• 5 镁合金绿色缓蚀剂研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验材料
• 5.2.2 实验试剂
• 5.2.3 溶液配制
• 5.2.4 电化学测试
• 5.2.5 失重实验
• 5.2.6 表面分析
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 硅酸钠的缓蚀效果
• 5.3.2 复合缓蚀剂的缓蚀效果
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录