AZ31镁合金表面的磷酸二氢钠磷化处理及粘接性能研究

摘要

本课题是郑州大学与美国通用汽车公司合作的美国通用联合基金项目“Joining of Dissimilar Materials with Crash-Toughened Adhesives”的一部分,其目的是探索镁合金板料在汽车工业中应用的可能性。AZ31镁合金的粘接前的表面处理工艺以及粘接接头的粘接性能是本文研究的重点,针对之前开发的磷酸盐.高锰酸钾磷化液的处理时间长,需要严格控制pH值等不足,开发了一种磷酸二氢钠磷化处理液,并对其进行了成分和处理时间的优化。对磷酸二氢钠磷化液处理后获得的磷化物涂层的表面薄膜形貌和厚度进行了分析；采用点蚀试验,析氢试验和动电位极化曲线对转化膜耐蚀性进行了评价,对得到AZ31粘接接头的剪切强度及其在3.5％NaCl溶液和湿热环境中的耐久性进行了分析,并与之前的磷酸盐一高锰酸钾磷化液进行了对比。结果表明:
　　 通过成分优化得出了复合促进剂的最佳比例和最佳质量浓度,以及氟化钠和磷酸二氢纳的最佳含量。开路电位试验表明处理时间为3分钟左右时,转化膜的表面开路电位趋于稳定,动电位极化试验表明当处理时间为3分钟时所获得转化膜的腐蚀电流密度最低,低于或者大于3分钟,膜层的自腐蚀电流密度开始升高。因此得到的最终化学处理配方为:15g／L NaH2PO4,1g／L Na2MoO4,1.5g／L Na2WO4,0.5g／L KNO3,1g／L NaF.与之前开发的磷酸盐-高锰酸钾配方相比具有处理时间短、无需调节PH值、成本低的优点。
　　 分析了单独的复合促进剂、单独的氟化钠以及两者的联合作用(最终配方)对转化膜的表面形貌以及化学成分、AZ31试样的耐腐蚀性能以及粘接接头的粘接性能的影响。结果表明单独复合促进剂所生成的膜层表面存在较多的微裂纹,但能够改善转化膜的耐蚀性,其自腐蚀电流密度与仅用简单清洗工艺(丙酮清洗)的镁合金相比降低了2个数量级,但是所处理的接头强度较低。单独氟化钠所生成的膜层表面完整,无裂纹,能够提高粘接接头的拉伸剪切强度,但是转化膜的自腐蚀电流相比简单清洗工艺处理的镁合金几乎没有改变作用。当复合促进剂和氟化钠同时存在时,转化膜表面完整,无裂纹,主要含有Mg、P、O、F、W、Mo等元素,所处理的接头有最高的粘接性能,最好的耐腐蚀性能,转化膜的自腐蚀电流相比与简单清洗工艺处理的镁合金降低了2个数量级。
　　 磷酸二氢钠配方所处理的接头强度较高,约为13.0KN,磷酸盐-高锰酸钾盐所处理的接头强度为11.4KN,相比提高了14％。腐蚀试验表明磷酸盐-高锰酸钾工艺和磷酸二氢钠处理的试样的耐腐蚀性能相比与简单清洗工艺处理的合金都得到了明显的提高,但是磷酸盐.高锰酸钾工艺的耐蚀性要稍好于后者。磷酸盐.高锰酸钾工艺处理的接头在盐水浸泡和高温高湿环境下其粘接性能下降了9％。而磷酸二氢钠工艺处理的接头在盐水环境中浸泡8天后下降了14％,而在高温高湿环境下放置40天后下降了30％。说明尽管该工艺初始强度高,但是在腐蚀环境和湿热环境中的耐久性较差。