鎂合金比重1.74Mg/m3 ,為實用金屬材料中最輕。添加鋁及鋅等合金化可改善其強度與耐蝕性,已應用在輕量化需求之航空機或F1賽車。然而,近年來由於環保觀點,為了改善汽車等運輸器具之耗油率及符合車體輕量化之強烈訴求,使一般商用汽車也開始使用鎂合金。此外,要求輕量化及剛性之攜帶儀器,如筆電、手機、數位相機等電子設備外殼也有許多應用例。而且,鎂之資源豐富,對人體無害及優異之回收性等優點,使其需求急速擴大。然而,輕量化材料之鎂合金受到矚目的同時,也顯現其最卑微的氧化電位,活性高、耐蝕性差之缺點,使其在維持成品之信賴性(可靠度)上,表面處理成為重要的課題。目前,防止鎂合金腐蝕的表面處理方法,工業上主要採用塗裝前之化成處理,但對易腐蝕之鎂合金而言是不夠的。雖然對於部分耐磨耗性或耐蝕性要求嚴苛的零件,採用陽極氧化處理,但實用之陽極氧化處理,其處理液大多含有鉻和錳等重金屬以及氟化物等有害物質。因此不含重金屬、有害物質之陽極氧化處理開發是迫不及待的。目前不含鉻之處理方法有Tagnite 、Magoxid-Coat Keronite 等,但是這些方法各有優劣點,因此尚無法廣泛應用。本文介紹有關鎂合金表面處理之最新動向,以及處理液中不含鉻等重金屬,氟化物等有害物質之新陽極氧化處理。
鎂合金之表面處理
目前,鎂合金之表面處理方法,工業上有化成處理及陽極氧化處理、電鍍、真空蒸鍍等,其中化成處理加塗裝佔了一大半,另外部分採用陽極氧化處理,其他處理方法之應用相當少。鎂合金表面處理有許多相關參考文獻可供參考。由Pourbaix 電位-pH 圖可知,鎂在pH10 以上之礆性溶液中生成安定的氫氧化皮膜,可抑止溶解。但在酸性側則產生激烈的溶解反應,因此化成處理或陽極氧化處理中,其處理液為酸性時,處理液中常添加氟化物離子或鉻酸離子,使形成安定氟化鎂或鉻氧化物皮膜以防止鎂溶解。如此,鎂合金化成處理或陽極氧化處理,不僅含有害物質也使用氟化物或鉻酸。
以磷酸鹽為主之環保型陽極氧化處理特徵 1. 環保型陽極氧化處理(Anomag)
目前,鎂合金之陽極氧化處理主要有MX11(HAE法)、MX12(DOW17)、MX5等,為獲得安定皮膜,處理液使用Cr6+ 或氟化物等有害物質。本節介紹之Anomag 處理系1998 年紐西蘭國立研究所開發之技術,主要以磷酸化合物及氨鹽為主,不含有害物質之符合環保的陽極氧化處理法。另外, Dow17法及HAE 法,因皮膜內混有鉻或錳等重金屬,對鎂合金特徵之一的回收性也有不良影響。而Anomag 處理完全不使用重金屬,對回收性無不良影響,也是其最大優點。圖一為Anomag 陽極氧化皮膜之表面及截面照片。呈現數μm的多孔質皮膜,而且小孔隨膜厚增加而擴大。一般鎂合金陽極氧化處理生成之皮膜,並非鎂之氧化物MgO ,而是Mg 與處理浴中物質之化學反應,生成複合且複雜構造之化合物。皮膜無導電性或缺乏導電性,因此隨著皮膜生成,電流降低。此時,電解持續必須提高電壓,當此電壓達某一值時皮膜產生絕緣破壞。此時隨著火花放電(Spark)產生氣體,皮膜形成如輕石般之多孔構造。表一為各種處理後之AZ91D 壓鑄材,經鹽水噴霧試驗之耐蝕性評估結果。Anomag或Dow17 等陽極氧化處理,具有比化成處理10 倍以上之耐蝕性。此外, Anomag 的膜厚10μm與Dow17 膜厚20μm ,幾乎在相同時間發生腐蝕,可知Anomag 皮膜具有足夠之耐蝕性。而且,再評估經透明塗裝後皮膜之耐蝕性結果,發現超過2000 小時,並不發生腐蝕或Cross Cut 部有膨脹情形之優異耐蝕性。為了解Anomag 處理之耐蝕性比其他處理優異的原因,執行腐蝕形態觀察與陽極分極等電化學測試。Dow17 與Anomag 處理之表面,利用陶瓷刀片強制切割傷痕,使基板露出後,執行鹽水噴霧試驗(550小時)。圖三為其組成像,組成像中重元素呈現較亮對比。Dow17 處理皮膜,以傷痕為中心,其周邊呈現擴展之黑色部分,此部分為腐蝕所生成之氫氧化物。然而, Anomag處理之傷痕部位及其周邊並未發現對比之變化,此結果顯示,即使強制去除皮膜之傷痕部位,亦可充分抑止母材之腐蝕。
表一、各種處理皮膜之鹽水噴霧試驗之耐蝕性