鹽霧試驗(yàn)對(duì)鎂合金表面工藝處理技術(shù)影響的探討

賀昌蓉， 劉秀利， 陳 艷， 郝 丹，李建川

（1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

鹽霧腐蝕是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。鹽霧是指氯化物的大氣，它的主要腐蝕成分是海洋中的氯化物鹽——氯化鈉，鹽霧對(duì)金屬材料表面的腐蝕是由于含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)引起的。同時(shí)，氯離子含有一定的水合能，易被吸附在金屬表面的孔隙、裂縫排擠并取代氯化層中的氧，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面，造成對(duì)產(chǎn)品極壞的不良反應(yīng)[1]。人工模擬鹽霧環(huán)境試驗(yàn)是利用一種具有一定容積空間的試驗(yàn)設(shè)備——鹽霧試驗(yàn)箱，在其容積空間內(nèi)用人工的方法，形成鹽霧環(huán)境來對(duì)產(chǎn)品的耐鹽霧腐蝕性能進(jìn)行考核。它與天然環(huán)境相比，其鹽霧環(huán)境的氯化物的鹽濃度可以是一般天然環(huán)境鹽霧含量的幾倍或幾十倍，使腐蝕速度大大提高。采用該人工加速模擬鹽霧環(huán)境的方法對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，可以快速得出產(chǎn)品的耐蝕結(jié)果，是考驗(yàn)各類金屬材料或產(chǎn)品耐蝕性的重要手段之一[2]。

1 試驗(yàn)樣品介紹

鎂合金作為當(dāng)前可工程化應(yīng)用的合金之一，由于其卓越的減重、電磁屏蔽、高阻尼等效果越來越受到軍用電子設(shè)備行業(yè)的關(guān)注，但由于其十分活潑的化學(xué)特性，極易被腐蝕[3]，因此需要進(jìn)行必要的環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證。該課題小組根據(jù)零件表面絕緣和導(dǎo)電兩種使用要求對(duì)常用鎂合金AZ31試樣分別進(jìn)行了不同的表面氧化處理[4]，并根據(jù)常用軍用電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求，按照GJB150.11A-2009的試驗(yàn)方法進(jìn)行96 h鹽霧試驗(yàn)以驗(yàn)證兩種表面處理工藝方案是否滿足產(chǎn)品的基本環(huán)境適應(yīng)性要求。

圖1 AZ31、AZ91鎂合金經(jīng)表面氧化后試驗(yàn)前的照片

2 鹽霧試驗(yàn)條件及方法

鹽溶液用化學(xué)純氯化鈉和蒸餾水配制，濃度為（5±1）%（質(zhì)量百分比）。溫度為35℃±2℃時(shí)，溶液的pH 值在 6.5～7.2 之間[5－6]。

將以上表面處理后的試樣（圖1）放置在鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)，與試驗(yàn)箱垂直平面成15°～30°，且相互不能接觸，一個(gè)試樣的鹽溶液不能滴落到其他試樣上。試驗(yàn)溫度為35℃±2℃，鹽霧的沉降率在1～2 mL/（80 cm2·h）。用交替進(jìn)行的24h噴霧和24h干燥兩種狀態(tài)共96h（兩個(gè)噴霧濕潤(rùn)階段和兩個(gè)干燥階段）進(jìn)行試驗(yàn)[5]。試驗(yàn)程序見圖2。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)噴霧濕潤(rùn)階段和干燥階段（48h）結(jié)束后，將試樣在自來水下沖洗5 min，再用適量蒸餾水（水溫不超過35℃）進(jìn)行沖洗，用氣流干燥去掉水滴，觀察試樣狀態(tài)，進(jìn)行拍照觀察，具體表面狀況如圖3所示。

圖2 鹽霧試驗(yàn)循環(huán)程序

按照上述試驗(yàn)過程及方法再把試樣放入試驗(yàn)箱中，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)48h（一個(gè)噴霧濕潤(rùn)階段和一個(gè)干燥階段）試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，按上述步驟清洗，再進(jìn)行拍照對(duì)比，具體狀況如圖4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果判定

從圖3中可見，經(jīng)過48h鹽霧試驗(yàn)后，兩種鎂合金AZ31和AZ91試樣的表面均出現(xiàn)不同程度的點(diǎn)狀腐蝕，AZ31陽極氧化和化學(xué)氧化的樣件表面上均出現(xiàn)突出的灰白色物質(zhì)，將白色物質(zhì)除去，發(fā)現(xiàn)試樣基體已有黑色點(diǎn)坑出現(xiàn)，證明試樣氧化層遭受破壞，基體已經(jīng)被腐蝕；AZ31化學(xué)氧化的樣件上則直接呈現(xiàn)絲狀黑色凹坑，證明其基材也受到腐蝕；AZ91陽極氧化的樣件表面也開始出現(xiàn)腐蝕凹坑。

圖3 AZ31、AZ91鎂合金表面氧化后經(jīng)48h鹽霧試驗(yàn)后照片

圖4 AZ31、AZ91鎂合金表面氧化后經(jīng)96h鹽霧試驗(yàn)后照片

圖4中反映了96 h鹽霧試驗(yàn)后的樣件狀態(tài)，AZ31陽極氧化的試樣表面出現(xiàn)大量灰白色物質(zhì)，基體腐蝕程度加深，而且腐蝕面積也擴(kuò)大，但由于不是整體腐蝕，可見其原來已經(jīng)腐蝕的地方有腐蝕加劇的現(xiàn)象；而AZ31化學(xué)氧化的樣件則是表面氧化層已經(jīng)全部破壞變黑，基材處于表面大面積腐蝕的狀況；AZ91陽極氧化樣件表面的腐蝕凹坑變大且凹坑數(shù)量增多，可見所有的樣件都不同程度地受到鹽霧腐蝕的破壞。

因此，從試樣的試驗(yàn)前后狀態(tài)對(duì)比來看，兩種不同牌號(hào)的鎂合金表面經(jīng)陽極氧化和化學(xué)氧化后的試樣在96 h鹽霧試驗(yàn)后，均出現(xiàn)了腐蝕物。根據(jù)GB/T 6461-2002中數(shù)字評(píng)級(jí)體系基于出現(xiàn)腐蝕的基體面積計(jì)算公式

式中：RP——化整到最接近的整數(shù)；

A——基體金屬腐蝕所占總面積的百分比。以及表1的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)GB/T 6461-2002中第6.2條的描述，對(duì)沒有出現(xiàn)基體金屬腐蝕的表面，人為規(guī)定為10級(jí)，對(duì)破壞程度的主觀評(píng)價(jià)為VS=非常輕度；S＝輕度；M＝中度；X=重度，得出AZ31陽極氧化樣件保護(hù)評(píng)級(jí)（RP）為3級(jí)，表示為10/-，外觀評(píng)級(jí)為XA即重度腐蝕斑點(diǎn)；AZ31化學(xué)氧化樣件保護(hù)評(píng)級(jí)（RP）為5級(jí)，表示為2.5/-，外觀評(píng)級(jí)為MA即中度腐蝕斑點(diǎn)；AZ91陽極氧化樣件保護(hù)評(píng)級(jí)（RP）為8級(jí)，表示為0.25/-，外觀評(píng)級(jí)為SA即輕度腐蝕斑點(diǎn)[7]。

表1 保護(hù)評(píng)級(jí)（RP）與外觀評(píng)級(jí)（RA）

根據(jù)用戶對(duì)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性要求，該試樣未能通過軍用設(shè)備的96h鹽霧試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

經(jīng)過對(duì)鎂合金AZ31試樣的人工加速模擬環(huán)境試驗(yàn)，課題組很快對(duì)試樣的耐蝕性得出了直觀的、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，并得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

（1）試驗(yàn)中針對(duì)兩種鎂合金采用的兩種氧化工藝技術(shù)對(duì)鎂合金的防護(hù)能力均不足以經(jīng)受GJB150.11 A所規(guī)定的鹽霧96h鹽霧考驗(yàn)。

（2）鎂合金自身基材性能活潑，極易在鹽霧大氣下發(fā)生化學(xué)腐蝕[5]，一旦表面氧化層破壞，其腐蝕速度會(huì)大大加劇，導(dǎo)致基材表面出現(xiàn)大小不一的凹坑。

5 結(jié)束語

雖然這次鹽霧試驗(yàn)的結(jié)論宣布了工藝試驗(yàn)的失敗，但為鎂合金的表面防護(hù)設(shè)計(jì)提供了十分有價(jià)值的參考。通過后期的能譜分析確定了表面白色物質(zhì)主要成分確系腐蝕物，并由此進(jìn)一步分析其深層腐蝕機(jī)理來改進(jìn)當(dāng)前工藝方法或采用新的表面處理工藝方案。

[1] 何業(yè)東.材料腐蝕與防護(hù)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2] 呂明春，梁紅衛(wèi)，張春華，等.加速可靠性試驗(yàn)技術(shù)及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007，25（3）：46-49.

[3] 宋光鈴.鎂合金腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4] 劉正.鎂基輕質(zhì)合金理論基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[5]GJB 150.11A-2009，軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第11部分：鹽霧試驗(yàn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[6]GB/T 10125-1997，人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

[7]GB/T 6461-2002，金屬基體上金屬和其他無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件的評(píng)級(jí)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.