镁合金比重1.74Mg/m3 ,为实用金属材料中最轻。添加铝及锌等合金化可改善其强度与耐蚀性,已应用在轻量化需求之航空机或F1赛车。然而,近年来由于环保观点,为了改善汽车等运输器具之耗油率及符合车体轻量化之强烈诉求,使一般商用汽车也开始使用镁合金。此外,要求轻量化及刚性之携带仪器,如笔电、手机、数位相机等电子设备外壳也有许多应用例。而且,镁之资源丰富,对人体无害及优异之回收性等优点,使其需求急速扩大。然而,轻量化材料之镁合金受到瞩目的同时,也显现其最卑微的氧化电位,活性高、耐蚀性差之缺点,使其在维持成品之信赖性(可靠度)上,表面处理成为重要的课题。目前,防止镁合金腐蚀的表面处理方法,工业上主要采用涂装前之化成处理,但对易腐蚀之镁合金而言是不够的。虽然对于部分耐磨耗性或耐蚀性要求严苛的零件,采用阳极氧化处理,但实用之阳极氧化处理,其处理液大多含有铬和锰等重金属以及氟化物等有害物质。因此不含重金属、有害物质之阳极氧化处理开发是迫不及待的。目前不含铬之处理方法有Tagnite 、Magoxid-Coat Keronite 等,但是这些方法各有优劣点,因此尚无法广泛应用。本文介绍有关镁合金表面处理之最新动向,以及处理液中不含铬等重金属,氟化物等有害物质之新阳极氧化处理。
镁合金之表面处理
目前,镁合金之表面处理方法,工业上有化成处理及阳极氧化处理、电镀、真空蒸镀等,其中化成处理加涂装占了一大半,另外部分采用阳极氧化处理,其他处理方法之应用相当少。镁合金表面处理有许多相关参考文献可供参考。由Pourbaix 电位-pH 图可知,镁在pH10 以上之硷性溶液中生成安定的氢氧化皮膜,可抑止溶解。但在酸性侧则产生激烈的溶解反应,因此化成处理或阳极氧化处理中,其处理液为酸性时,处理液中常添加氟化物离子或铬酸离子,使形成安定氟化镁或铬氧化物皮膜以防止镁溶解。如此,镁合金化成处理或阳极氧化处理,不仅含有害物质也使用氟化物或铬酸。
以磷酸盐为主之环保型阳极氧化处理特征 1. 环保型阳极氧化处理(Anomag)
目前,镁合金之阳极氧化处理主要有MX11(HAE法)、MX12(DOW17)、MX5等,为获得安定皮膜,处理液使用Cr6+ 或氟化物等有害物质。本节介绍之Anomag 处理系1998 年纽西兰国立研究所开发之技术,主要以磷酸化合物及氨盐为主,不含有害物质之符合环保的阳极氧化处理法。另外, Dow17法及HAE 法,因皮膜内混有铬或锰等重金属,对镁合金特征之一的回收性也有不良影响。而Anomag 处理完全不使用重金属,对回收性无不良影响,也是其最大优点。图一为Anomag 阳极氧化皮膜之表面及截面照片。呈现数μm的多孔质皮膜,而且小孔随膜厚增加而扩大。一般镁合金阳极氧化处理生成之皮膜,并非镁之氧化物MgO ,而是Mg 与处理浴中物质之化学反应,生成复合且复杂构造之化合物。皮膜无导电性或缺乏导电性,因此随著皮膜生成,电流降低。此时,电解持续必须提高电压,当此电压达某一值时皮膜产生绝缘破坏。此时随著火花放电(Spark)产生气体,皮膜形成如轻石般之多孔构造。表一为各种处理后之AZ91D 压铸材,经盐水喷雾试验之耐蚀性评估结果。Anomag或Dow17 等阳极氧化处理,具有比化成处理10 倍以上之耐蚀性。此外, Anomag 的膜厚10μm与Dow17 膜厚20μm ,几乎在相同时间发生腐蚀,可知Anomag 皮膜具有足够之耐蚀性。而且,再评估经透明涂装后皮膜之耐蚀性结果,发现超过2000 小时,并不发生腐蚀或Cross Cut 部有膨胀情形之优异耐蚀性。为了解Anomag 处理之耐蚀性比其他处理优异的原因,执行腐蚀形态观察与阳极分极等电化学测试。Dow17 与Anomag 处理之表面,利用陶瓷刀片强制切割伤痕,使基板露出后,执行盐水喷雾试验(550小时)。图三为其组成像,组成像中重元素呈现较亮对比。Dow17 处理皮膜,以伤痕为中心,其周边呈现扩展之黑色部分,此部分为腐蚀所生成之氢氧化物。然而, Anomag处理之伤痕部位及其周边并未发现对比之变化,此结果显示,即使强制去除皮膜之伤痕部位,亦可充分抑止母材之腐蚀。
表一、各种处理皮膜之盐水喷雾试验之耐蚀性