CN108823620A - 一种镁合金表面电沉积Al-Zn合金镀层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种镁合金表面电沉积Al‑Zn合金镀层的方法，属于属于活性电极镁合金表面腐蚀技术与防护领域。本发明包括：将镁合金片依次经过打磨处理、超声清洗处理、酸洗处理、碱洗处理、活化处理、浸锌处理、醇洗处理、水洗处理和风干处理；将Al片和Zn片经过超声清洗处理，碱洗处理，干燥处理；在镀液中进行脉冲电沉积，将镁合金作为阴极，将Al片或Zn片作为阳极，所述的脉冲电沉积外加脉冲电压为0.5V至1.5V，频率为20至100Hz，占空比为20％，时间为30至60min，温度为室温；在电沉积过程中进行搅拌，搅拌速率为120至200r/min。

Description

一种镁合金表面电沉积Al-Zn合金镀层的方法

技术领域

本发明属于活性电极镁合金表面腐蚀技术与防护领域，具体涉及一种镁合金表面电沉积Al-Zn合金镀层的方法。

背景技术

镁合金是最轻的金属结构材料，被誉为“21世纪绿色工程材料”，具有许多优良的性质，如：比强度高，比刚度高，密度小，切削加工性能良好以及电磁屏蔽，阻尼减震，导电导热性均良好等，在国防军工，3C产品，交通等领域有着极大的广泛应用。然而，镁合金的耐蚀性差以及化学性质活泼使其应用收到了极大的制约。在众多的表面处理方法，如：化学转化膜，阳极氧化，有机涂层等中，金属镀层可以改善镁合金的耐蚀性，抗磨性，电导率等。在ZM5镁合金中Al和Zn是除了Mg元素之外含量最多的两种元素，在镁合金表面难以形成原电池腐蚀，且锌铝合金镀层具有良好的耐腐蚀性能，在镁合金上进行Al-Zn共沉积，是一种有效的防腐蚀措施。

在之前的研究中，中国公开专利(专利号：CN 101781785 A)公开了一种在高温熔融盐体系中在镁合金表面共沉积铝锰合金镀层的方法，但是由于在高温熔融盐中进行电沉积，会造成较大的能源损耗，且镀液难以处理，难以达到环保要求，而且整个操作过程复杂，工艺条件要求高；在中国公开专利(专利号：CN 104388992 A)中作者公开了一种在离子液体中也使用三电极体系方式在惰性电极铜上进行了锌铝合金镀层的沉积，得到锌铝合金镀层，但是除了三电极体系复杂的操作工艺外，活泼电极和惰性电极较大的化学性质差异也对电沉积过程产生极大的影响；中国公开专利(专利号：CN 102766888 A)公开了一种在深度共熔性离子液体中进行镁合金表面电沉积镀层，特征在于所用离子液体为氯化胆碱和多种物质混合而成，这种方法由于镀液制备极其繁琐，难以大规模应用。随着当今社会对环保型工艺的要求，轻金属镁合金由于具有各种优良的性质，在各个领域都显示出广泛的应用前景。因此在活泼电极镁合金表面进行合金镀层成为目前的一个热点。

发明内容

本发明的目的是这样实现的：

一种镁合金表面电沉积Al-Zn合金镀层的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一将镁合金片依次经过打磨处理、超声清洗处理、酸洗处理、碱洗处理、活化处理、浸锌处理、醇洗处理、水洗处理和风干处理；所述的打磨处理为依次用400#、600#、800#和1200#的SiC砂纸对镁合金进行打磨，时间为10至30min；所述的超声清洗处理是在无水乙醇中进行超声清洗，时间为5至15min；所述的酸洗处理是在柠檬酸水溶液中进行，时间为30s至90s，温度为20℃至30℃，柠檬酸水溶液浓度为10g/L至30g/L；所述碱洗处理是在NaOH水溶液中进行，时间为10min至20min，温度为50℃至80℃，NaOH水溶液浓度为120g/L至200g/L；所述的活化处理是以柠檬酸水溶液为活化溶液进行活化处理，时间为10s至60s，温度为20℃至30℃，柠檬酸水溶液浓度为5g/L至20g/L；所述的浸锌处理是在浸锌溶液中进行，时间为0至10min，温度为50℃至80℃，浸锌溶液为含K₄P₂O₇ 100至200g/L、含ZnSO₄30至50g/L、含无水Na₂CO₃ 5至10g/L、含NaF 5至10g/L、含KNaC₄H₄O₆·2H₂O 5至10g/L的水溶液；

步骤二将Al片和Zn片经过超声清洗处理，碱洗处理，干燥处理；所述的超声清洗处理与步骤一中所述相同；所述的碱洗处理是在含NaOH 20至50g/L、含Na₃PO₄·12H₂O 5至15g/L、含K₄P₂O₇30至60g/L的碱洗溶液中进行；

步骤三在镀液中进行脉冲电沉积，将经步骤一处理后得到的镁合金作为阴极，将经步骤二处理后得到的Al片或Zn片作为阳极；所述的脉冲电沉积外加脉冲电压为0.5V至1.5V，频率为20至100Hz，占空比为20％；时间为30至60min，温度为室温；在电沉积过程中进行搅拌，搅拌速率为120至200r/min；

所述的镀液制备过程如下：

将1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和无水氯化铝混合后加入一定量ZnCl₂，使得镀液中Zn的质量分数为0.5％至3％，其中无水氯化铝和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的摩尔比为2：1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明以离子液体为镀液，对活泼电极镁合金进行Al-Zn共沉积，可制备出表面均匀、致密的合金镀层，对镁合金的耐蚀性由较大的提高；

(2)本发明所使用为双取代基氯化咪唑-氯铝酸盐型离子液体，此类离子液体相比其他类型离子液体，价格较为低廉，且镀液易于处理，不会造成环境污染；

(3)本发明电镀过程操作简单，室温下就可制备，极大的降低了能耗，易于工业化应用。

附图说明

图1为Al-Zn合金镀层的SEM图；

图2为ZM5镁合金与Al-Zn镀层的电化学极化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细说明：

具体实施例一：

镁合金具有许多优良的性能，如比重小，比强度大，电磁屏蔽和阻尼减震性能良好。然而由于镁合金较差的耐腐蚀性能，限制了镁合金在工业上的广泛应用，在镁合金表面进行电沉积是一种可以大幅度提高镁合金耐腐蚀性能的方法。本发明是针对镁合金耐蚀性差的特点，在不同工艺条件下将ZM5镁合金在离子液体中进行脉冲电位电沉积，以获得均匀、致密的Al-Zn合金镀层。该方法所制备的合金镀层对镁合金耐蚀性有较大的提高。

一种镁合金表面电沉积Al-Zn合金镀层的方法，其特征在于，包括以下步骤：将镁合金片依次经过打磨，超声清洗，直接或经酸洗，碱洗，活化，浸锌，醇洗，水洗，风干等前处理后放入手套箱中浸入镀液中进行脉冲电位电沉积实验；Al片和Zn片经过超声清洗，碱洗，干燥等过程；上述镀液为由N，N’-二烷基取代咪唑氯盐与无水氯化铝按照摩尔比为1:1～1:3制备离子液体后加入一定量ZnCl₂，使得上述离子液体中Zn的质量分数为0.5％～4％；采用脉冲电源，阴极为未经或经过处理的镁合金片，阳极为纯Al片或者Zn片；外加电压为0.5V～1.5V，频率为10Hz～100Hz，占空比为20％～50％。

镁合金打磨在400#，600#，800#，1200#的SiC砂纸依次进行打磨，时间为10～30min；所述超声清洗是用无水乙醇中进行超声清洗，时间为5～15min；所述酸洗是在柠檬酸水溶液中进行，浓度为10g/L～30g/L，时间为30s～90s，温度为20℃～30℃。所述镁片碱洗是在NaOH水溶液中进行，浓度为120g/L～200g/L，时间为10min～20min，温度为50℃～80℃。活化溶液为柠檬酸水溶液，浓度为5g/L～20g/L，时间为10s～60s，温度为20℃～30℃。浸锌溶液为含K₄P₂O₇100～200g/L、ZnSO₄30～50g/L、无水Na₂CO₃5～10g/L、NaF5～10g/L、KNaC₄H₄O₆·2H₂O 5～10g/L的水溶液，浸锌时间为0～10min，温度为50℃～80℃。阳极电极Al片或者Zn片的碱洗溶液为含NaOH 20～50g/L、Na₃PO₄·12H₂O 5～15g/L、K₄P₂O₇30～60g/L的水溶液，处理时间为5～15min，处理温度为50℃～80℃。所述镀液为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和无水氯化铝制备离子液体后加入一定量ZnCl₂，得到一定含Zn质量分数的镀液，所述镀液温度为20℃～40℃。所述电沉积时间为30min～60min。电沉积过程中还需对镀液进行搅拌，速率为100～200r/min。

具体实施例二：

本发明要解决的技术问题在于提供一种在镁合金上进行Al-Zn合金共沉积的方法。该方法以离子液体为镀液，以镁合金为阴极，制备出可以提升镁合金耐蚀性的Al-Zn合金镀层；该方法室温下便可制备，极大的减少了能源损耗和污染。

一种镁合金表面电沉积Al-Zn合金镀层的方法，包括以下步骤：将镁合金片依次经过打磨，超声清洗，直接或经酸洗，碱洗，活化，浸锌，醇洗，水洗，风干等前处理后放入手套箱中浸入镀液中进行脉冲电位电沉积实验；Al片和Zn片经过超声清洗，碱洗，干燥等过程；上述镀液为由N，N’-二烷基取代咪唑氯盐与无水氯化铝按照摩尔比为1:1～1:3混合后加入一定量ZnCl₂，使得上述离子液体中Zn的质量分数为0.5％～4％；采用脉冲电源体系，阴极为经过前处理的镁合金片，阴极为经过处理的Al片或者Zn片；外加电压为0.5V～1.5V，频率为10Hz～100Hz，占空比为20％～50％；

作为优选的技术方案，本工艺采用的实验流程分别为：打磨→水洗→超声清洗(→水洗→酸洗→水洗→碱洗→水洗→活化→水洗→浸锌→醇洗)→水洗→风干→电镀；

作为优选的技术方案，所述的酸洗溶液为柠檬酸水溶液，浓度为10～20g/L，时间为30～60s，温度为25℃，酸洗可以有效地去除镁合金表面的氧化层和油脂；

作为优选的技术方案，所述的镁片前处理中碱洗溶液为NaOH水溶液，浓度为120～200g/L，时间为10～18min，温度为55～75℃，高浓度氢氧化钠溶液碱洗可以在镁合金表面生成Mg(OH)₂膜，并且可以溶解镁合金表面的β相，促进电沉积镀层的速率以及均匀性，得到均匀镀层；

作为优选的技术方案，所述的活化溶液为柠檬酸水溶液，浓度为8～15g/L，时间为10～40s，温度为25℃；

作为优选的技术方案，所述的浸锌溶液为含K₄P₂O₇120～200g/L、ZnSO₄35～50g/L、无水Na₂CO₃5～10g/L、NaF5～10g/L、KNaC₄H₄O₆·2H₂O 5～10g/L的水溶液的水溶液，浸锌时间为0～8min，温度为50～80℃；

作为优选的技术方案，阳极电极所用的Al片或者Zn片需进行前处理，流程为：打磨→水洗→超声清洗→水洗→碱洗→水洗→干燥；

作为优选的技术方案，所述的镀液离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和无水氯化铝混合后加入一定量ZnCl₂，使得镀液中Zn的质量分数为0.5％～3％，其中无水氯化铝和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的摩尔比为2:1；

作为优选的技术方案，电沉积实验外加脉冲电压为0.5V～1.5V，频率为20～100Hz，占空比为20％；

作为优选的技术方案，电沉积时间为30～60min，温度为室温；

作为优选的技术方案，电沉积过程需进行搅拌以提高离子液体的传质速率，提高电导率，搅拌速率为120～200r/min；

(1)上述离子液体的制备

将1-丁基-3-甲基咪唑氯盐与无水氯化铝按摩尔比为1:2制备离子液体，然后加入一定量的ZnCl₂，使得其中Zn的质量分数为0.5～1.5％；

(2)阳极电极的制备

制备作为阳极的Al和Zn片，经过SiC砂纸打磨后用无水乙醇超声清洗5～10min，然后去离子水冲洗，在NaOH 20～50g/L、Na₃PO₄·12H₂O 5～15g/L、K₄P₂O₇30～60g/L的的水溶液中碱洗5～10min，温度为50～70℃。

(3)阴极材料的制备

对镁合金进行依次以下处理：SiC砂纸打磨；无水乙醇超声清洗；10～20g/L柠檬酸水溶液酸洗；120～200g/L NaOH碱洗，50～65℃，10～18min；5～15g/L的柠檬酸溶液活化，室温，20～50s；在上述浸锌液中浸锌5～8min，50～65℃；风干。

(4)电沉积实验

将经过前处理的阴阳极进行脉冲电沉积实验：以Zn片为阳极，上述前处理的Mg片为阴极，外加电压为0.5～1V，频率为20～50Hz，占空比20～40％，沉积时间为30～50min，室温，搅拌速率为150r/min。

所制备试样EDS(表1)分析样品表面镀层成分：

表1

元素	wt％
		Al	34.74
Zn	65.26

具体实施例三：

区别于具体实施例二，其特征在于：

(1)离子液体制备

离子液体制备与上述实例1相同，不同之处在于此次镀液中Zn质量分数为1.5～3％；

(2)阳极电极制备

与实例1所述方法相同；

(3)阴极电极的制备

此次操作过程中，阴极为未经浸锌处理的的镁片；

(4)电沉积实验

在手套箱中进行脉冲电沉积实验：以上述Al片为阳极，Mg片为阴极，外加电压为1～1.3V，频率为20～50Hz，占空比20～40％，沉积时间为40～60min，室温，搅拌速率为200r/min。

所制备试样EDS(表2)分析表面镀层成分：

表2

元素	wt％
		Al	51.74
Zn	48.26

所制备试样在丙酮中进行清洗后用扫描电子显微镜(图1)，图1表示在此条件下可以在镁合金表面制备出均匀的Al-Zn共沉积层。

对所制试样进行电化学腐蚀测试，电化学极化曲线如图2所示，表示在此条件下可以在镁合金表面制备出均匀的Al-Zn共沉积层，且可以使镁合金的腐蚀电位正移。

Claims (1)

1.一种镁合金表面电沉积Al-Zn合金镀层的方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤一将镁合金片依次经过打磨处理、超声清洗处理、酸洗处理、碱洗处理、活化处理、浸锌处理、醇洗处理、水洗处理和风干处理；所述的打磨处理为依次用400#、600#、800#和1200#的SiC砂纸对镁合金进行打磨，时间为10至30min；所述的超声清洗处理是在无水乙醇中进行超声清洗，时间为5至15min；所述的酸洗处理是在柠檬酸水溶液中进行，时间为30s至90s，温度为20℃至30℃，柠檬酸水溶液浓度为10g/L至30g/L；所述碱洗处理是在NaOH水溶液中进行，时间为10min至20min，温度为50℃至80℃，NaOH水溶液浓度为120g/L至200g/L；所述的活化处理是以柠檬酸水溶液为活化溶液进行活化处理，时间为10s至60s，温度为20℃至30℃，柠檬酸水溶液浓度为5g/L至20g/L；所述的浸锌处理是在浸锌溶液中进行，时间为0至10min，温度为50℃至80℃，浸锌溶液为含K₄P₂O₇ 100至200g/L、含ZnSO₄ 30至50g/L、含无水Na₂CO₃ 5至10g/L、含NaF 5至10g/L、含KNaC₄H₄O₆·2H₂O 5至10g/L的水溶液；

步骤二将Al片和Zn片经过超声清洗处理，碱洗处理，干燥处理；所述的超声清洗处理与步骤一中所述相同；所述的碱洗处理是在含NaOH 20至50g/L、含Na₃PO₄·12H₂O 5至15g/L、含K₄P₂O₇ 30至60g/L的碱洗溶液中进行；

步骤三在镀液中进行脉冲电沉积，将经步骤一处理后得到的镁合金作为阴极，将经步骤二处理后得到的Al片或Zn片作为阳极；所述的脉冲电沉积外加脉冲电压为0.5V至1.5V，频率为20至100Hz，占空比为20％；时间为30至60min，温度为室温；在电沉积过程中进行搅拌，搅拌速率为120至200r/min；

所述的镀液制备过程如下：

将1-丁基-3-甲基咪唑氯盐和无水氯化铝混合后加入一定量ZnCl₂，使得镀液中Zn的质量分数为0.5％至3％，其中无水氯化铝和1-丁基-3-甲基咪唑氯盐的摩尔比为2：1。