超声作用对镁合金表面电沉积层组织与性能的影响

　　镁合金具有良好的力学、物理和成型工艺性能，又被誉为21世纪的绿色工程材料[1]，期待着在工程领域被广泛应用。但是镁合金耐腐蚀性差的特点使其应用受到了很大限制。为此，针对镁合金的表面防腐技术人们开展了多方面的研究工作，主要有化学及电化学转化膜处理、微弧氧化、离子注入技术、激光表面合金化、化学镀及电镀等等。由于电沉积技术具有工艺简便易行，镀层质量高、防护效果好，工艺实施成本低的特点，在镁合金表面防护方法中备受关注[2-7]。

　　如George A[3]等在镁合金表面通过采用先化学镀再电镀的方法，获得了性能较好的镍镀层;再有，将镁合金经过浸锌后以氰化物镀铜作为中间层然后电镀镍，也收到较好的效果。但上述工艺中，化学镀预镀中间层的方法导致整个工艺成本增加;氰化物的使用，对人体和环境都会带来严重的污染。针对类似现象，本项工作在分析镁合金电沉积特点基础上，设计了预镀中间层的种类及工艺过程，对镁合金表面电沉积镍及组织细化机理进行了研究。

　　1 试验材料及方法

　　1.1 样品材质及制备

　　试验材质选用AZ91D压铸镁合金，其化学成分(质量分数%)为9.1%Al、0.3%Zn，其余为Mg。试样尺寸:30mm×20mm×5mm。采用电沉积方法在镁合金AZ91D表面制备镍镀层，工艺流程为:试样镀前处理—活化—浸锌—电镀中间层—电镀镍，具体工艺参数如表1。

　　1.2 镀层检测

　　利用D/Max 2000型X射线衍射仪(XRD)和VGESCALAB MKⅡ光电子能谱仪(XPS)对镀层的物相及元素组成进行检测分析;采用JSM-5600LV扫描电子显微镜(SEM)观察镀层的表面及断面形貌，分析讨论镀层组织细化机制，并结合电化学测试仪测得的基体和镀层的电化学极化曲线，分析了镀层组织细化与电化学腐蚀特性变化的关系。

　　2 分析与讨论

　　2.1 电沉积层及制备工艺的设计

　　铸态AZ91D镁合金由α(Mg)相和β(Mg17Al12)相组成，经Mathieu等[8]测定，α相的自腐蚀电位为-1.82V，β相的自腐蚀电位为-1.23V，两者之差0.59V，导致试样在腐蚀介质中极易组成微电池而产生电耦腐蚀。因此在镁合金表面施加防护层是非常必要的。金属镍具有非常好的耐腐蚀性能，是不锈钢和耐蚀镀层中的常用元素。但由于镁的标准电极电位(-2.37V)与镍的标准电极电位(-0.25V)相差绝对值为2.12V，导致在镁合金表面直接电沉积镍是非常困难的。为实现电沉积镍的目的，须对镁合金表面施加前处理和预镀中间层，通过其表面的活化，化学性质相近金属中间层的组合，创造其获得良好镍镀层的条件。根据卤族元素在金属表面处理中的活化和催化作用，选择含有元素氟的活化剂对镁合金表面进行活化处理;依元素周期表中位置相近元素化学性质相近和相似的特点，沉积层元素间标准电极电位差逐渐缩小，以及提高各沉积层间结合力的原则，中间镀层由内至外初步确定为锌(标准电极电位: -0.76V)和铜(标准电极电位: +0.339V)。镁合金电沉积时，常采用氰化镀铜工艺获得中间铜过渡层，目的是使该镀层致密而利于镍的沉积。其优点是络合剂氰化物的使用，将简单金属铜离子络合为铜的络合离子，大大减缓了铜离子放电还原的速度，从而降低了铜的电沉积速度，细化了镀层组织。但氰化物的使用，对人体和环境的污染是其致命不足;若选用其它镀铜溶液，工艺成熟、易操作、成本低的多数又是酸性镀液(如硫酸盐、焦磷酸盐镀液等)，而镁合金在酸性介质中又有很快的腐蚀速率，对其表面电沉积层的形成非常不利。综合分析的结果，确定中间镀层的获得在碱性锡酸盐镀液中实施，镀层为铜-锡合金。考虑镀层致密性对其质量和性能的重要性，根据已有的研究成果[9-10]，在镁合金表面活化、预镀中间层和电沉积过程中，全程使用超声波。