钛合金、镁合金新型阳极氧化及电镀工艺研究

摘要

本文就钛合金和镁合金的表面处理技术进行了研究，论文前部分（第二、三章）研究了钛合金的阳极氧化及电镀工艺；论文后部分（第四章）研究了镁合金的阳极氧化工艺。 钛及其合金作为21 世纪最重要的工程金属，以其优异的性能而被广泛用于航空航天、舰船、汽车、医疗、化工等行业。但钛合金不耐磨，与其它金属易产生接触腐蚀等问题限制了其应用范围。因此适当的表面处理以增强钛合金的耐蚀性、耐磨性及装饰性具有重要的现实意义。传统的钛合金表面处理技术有许多不足之处，例如，工艺复杂、成本高、电解液对环境不友好等。 本文针对目前钛合金表面处理存在的问题，研究并开发出钛合金新型表面处理工艺。研究工作主要包括以下两个方面： 1. 研究并开发了一种钛合金新型抑弧阳极氧化工艺。采用脉动电压阳极氧化技术，在钛合金表面可形成一层光滑致密，厚约2-10 μm，硬度为350-600 HV阳极氧化膜。研究了电解液组分、氧化电压等工艺参数对膜层厚度和硬度的影响。采用扫描电子显微镜（SEM）检测膜层微观形貌，采用电子能谱（EDS）和X 射线衍射（XRD）分析膜层元素组成和结构组成。研究表明：电解液组分、氧化电压对氧化过程和氧化膜性能会产生影响。膜层分析表明：膜层主要还是由Ti 和O 元素组成，同时膜层表面还含有Ni 和P 元素；XRD 图谱除了有Ti 的衍射峰外还含有TiO2 晶态峰，可见膜层是由晶态和非晶态物质混合组成的氧化膜层。 2. 研究了一种钛合金表面直接电镀镍的新工艺。通过在瓦特镀镍液中添加金属络合剂和金属阳极活化溶解添加剂，对钛电极先采用阳极脉冲电流活化，再对活化后的钛电极进行阴极脉冲电流沉积，在钛合金表面获得了结合力优良的镍镀层。研究了电解液组分、工艺参数对镀层结合力的影响。 结果表明，当在硫酸镍电解液中添加40 g/L 阳极活化添加剂和采用1.4 A/dm2 阳极脉冲电流对钛合金进行电化学处理时，可使钛合金产生活性溶解，将脉冲电流切换为阴极电沉积后，便可在钛合金表面沉积一层结合力优良的镍镀层。文章讨论了脉冲阴、阳极平均电流密度，占空比，频率，电解液组分浓度等电解参数对镍镀层质量的影响，发现当硫酸镍为80 g/L、氯化镍为40 g/L、柠檬酸三钠为15 g/L、葡萄糖酸钠为12 g/L、硼酸为35 g/L、阳极活化添加剂为40 g/L；温度为60 ℃、pH 值为3.5 左右、频率f 为80 Hz、占空比为20 ％、阴极电流密度为1.4 A/dm2时所获得镍镀层的结合力最佳。 镁合金作为21 世纪“绿色”工程金属，除具有比重小、比强度和比刚度高、导热导电性能好等特点外，还兼有良好的阻尼减震和电磁屏蔽性能，已成为现代汽车、电子、通讯等行业的首选材料。本文在本课题组先行研究并开发的新型抑弧阳极氧化工艺基础上进行。该工艺采用脉动电压技术在较高的电压和电流密度下，对镁合金进行快速抑弧阳极氧化，在其表面形成一层光滑致密，具有较高硬度和优良耐蚀性的阳极氧化膜。针对新工艺在工业生产中遇到的问题，如：连接不锈钢阴极的铜棒产生腐蚀引入铜离子，以及生成的阳极氧化膜存在局部腐蚀点等，通过试验分析和工业现场生产实践，研究了镁合金阳极氧化电解液对杂质离子的抗干扰性，以及中试试验中各工艺因素对膜层性能的影响。