镁合金的表面处理.ppt

鎂合金的表面處理 鎂合金表面處理及其功能 鎂合金零件常見之表面處理大致可分為 油與蠟之外表被覆 化成處理法 陽極氧化法 噴漆法 電鍍法 氣體 電漿氮化法 雷射合金化 而一般機械方法如拋光 擦光 滾桶研磨 及震動磨蝕法亦可使用表面處理方法使用選擇所需考慮之因素1 表面處理是否僅裝飾或美觀用途2 鎂合金零件是否具備某種程度之保護特性或機械效益只強化 3 上述功能皆須滿足若鎂合金零件之應用僅須面對風化間歇性之潤濕 而不需有豪華美麗外觀 則不需做任何表面處理 但有些表面處理具較復雜程度之涂裝 可在長期嚴苛環境下保護零件 表面處理之應用亦須考慮到整體經濟成本效益 要選擇最佳條件之表面處理 必須了解鎂零件所處之環境條件 急鎂零件表面處理之耐腐蝕行為及機械特性 鎂金屬表面處理最佳條件之決定因素包括可容忍之腐蝕程度及操作環境之嚴苛程度 壓鑄鎂合金于汽車零組件應用 對嚴苛之鹽霧暴露 及未做化學處理或被覆之電解腐蝕抑止效果 皆優于碳鋼及壓鑄380鋁材 而于油臘被覆 化學處理及噴涂 電鍍技朮亦皆可滿足裝飾及保護需求 鎂合金表面處理及其功能 鎂合金表面可用化學法或電化學法做表面處理 這些被覆物可取代天然之氫氧化物 Mg OH 2 或碳酸鹽 MgCO3 被覆物 且具更佳之耐蝕性 這些表面處理對有機被覆物具更佳之相容性 也可單獨使用以抗拒一般性之暴露 化成處理后可應用有機被覆物做許多結構性之應用 優勢噴涂前需做樹脂封孔 所有鎂合金表面處理中 鉻酸鹽被覆物可能最常被使用 除具中等程度之保護外 也可作噴漆底材 提供化學或機械之附著力 鉻酸鹽被覆物之抑制作用亦可提供永久性之附著性 當工件暴露在冷凝濕氣中時 阻止鹼性或氧化膜之形成 鉻酸鹽底材對重工業及海洋環境嚴苛暴露腐蝕亦具效益 鎂合金之陽極氧化與其它金屬陽極氧化步驟流程大致類似 去污 活化 陽極氧化 鹼性與酸性陽極氧化皆可行 但鎂之陽極氧化不具著色效益 須陽極氧化配合有色之噴漆涂裝 鹼性陽極氧化須做后處理以提升噴漆之附著力 它比酸性陽極氧化更質硬及耐磨耗 酸性陽極氧化較具彈性 不易淬裂及剝落 對嚴苛環境為及佳之噴漆底材 鎂合金表面處理及其功能 下表顯示鎂合金表面處理之功能與目的 鎂合金之表面預處理 鎂合金之表面預處理與其它金屬處理一樣重要 因為它會影響到隨后之被覆制程于鎂零件之制造過程中 一些污染物如油脂 氧化物或骯臟異物皆可能存在 此外化學處理后之殘留雜質亦必須去除 一般鎂合金零件之清洗制程可分為四種類別 即機械清洗 溶劑清洗 鹼液清洗及酸洗 其中溶劑清洗 鹼液清洗及酸洗亦被歸類為化學清洗 這些方法可單獨使用 亦可以組合使用 視工作狀況而定 下表為鎂合金使用之清洗制程說明 鎂合金之機械清洗法 鎂合金之機械清洗法包括研磨 粗拋光 干式及濕式磨蝕噴擊清洗 鋼刷清洗 濕式桶槽清洗及振動表面處理 1 研磨及粗拋光 帶式研磨可用于去除壓鑄件毛邊 表面缺陷或刮痕等 無表面污染物存在之危險性 亦不需特殊磨料 2 干式磨蝕噴擊清洗 噴砂為鎂合金最常使用之干式磨蝕噴擊清洗法 許多壓鑄廠使用25或35AFS細粒之隧石細砂 也可利用小鋼珠噴擊 于傳統操作狀況下 2種方式均可得相同之滿意結果 若噴擊壓力過大 可能造成表面之腐蝕 因為鋼屑可能嵌入工件表面 任何干式磨蝕噴擊后 皆須做酸洗以排除噴擊之不良效應 3 濕式磨蝕噴擊清洗 這是電鍍前之表面處理步驟 可去除表面碳質化合物及厚重腐蝕產物 及去除剝推操作之殘留噴漆 4 滾桶研磨 鎂壓鑄件可利用濕式桶槽 振動桶槽 界面活性劑及表面處理配方去除表面污染物 碳質及非碳質之模具潤滑劑 并平滑組件 溶液須連續流動過介質以阻止污染物之累積及組件表面可能之污染 滾桶研磨可作為高純度鎂合金零件之表面處理 及用于鏈鋸 除草設備零件及動力手工具噴漆與之預處理及清洗 鎂合金之機械清洗法 5 鋼刷處理 鎂合金可于現場用鋼刷處理 以去除污染物再作噴焊 鋼刷設備應加以調整使得足夠壓力施用于鎂片上 設備之設計應使用其不致磨蝕到鎂片 最終表面之平滑度與鋼刷線材組成及粗糙度有關 6 振動表面處理 結合磨平或擦光之清洗以去除氧化物 污染物 毛邊及鑄件外皮 陶瓷及其它介質皆可加以使用 視零件表面狀況及所需表面處理而定 勿使用酸添加物 易侵蝕鎂之表面 適當之清洗與干燥甚為重要 7 拋光與擦光 可作為鎂合金電鍍 陽極氧化及噴涂前之預處理 鎂壓鑄件拋光時應盡量減少磨除量 以保持鑄件外層薄而無孔質層 標准件拋光可使用磨輪及皮帶 可去除粗糙表面 分模線 及鎂合金零件表面之缺陷 可使用Al2O3 及SiC磨料 其粒徑大小視表面粗糙度 及最終所需之表面處理而定 游離鐵及其它重金屬微粒不可用做鎂合金拋光之磨料 因為這些金屬若嵌入鎂合金表面會引起腐蝕 或在酸洗時造成孔洞 鎂合金亦可用矽藻土化合物或Al2O3于縫合輪作平滑光澤表面處理拋光 對著色拋光可用干石灰石化合物 拋光化合物若含有游離鐵或其它重金屬磨料不可使用 拋光或擦光后 在有機涂裝之前應作硝酸鐵光澤酸洗 硝酸鐵光澤酸洗可生成鈍化表面 增加被覆物之附著性及耐蝕性 也可以阻止被覆物干燥后發生污點 鎂合金拋光與擦光步驟 化學清洗 鎂合金化學清洗包括蒸氣脫脂 溶劑清洗 乳化清洗 酸洗及鹼洗 1 溶劑清洗及蒸氣脫脂可去除油質 成形潤滑劑 臘 淬火油 腐蝕保護油 拋光 擦光化合物 溶解性土壤及污染物 固態微粒 如加工粉塵及碎屑可用溶劑清洗加以去除 因為它可溶解附著于零件的油脂 而這些油脂使這些微粒黏附在零件上 這些清洗行為必須于噴涂 電鍍 化學處理及機械加工或成形前后進行 用于其他金屬化學清洗之方法及設備同樣可使用于鎂金屬 三氯乙烯 過氯乙烯是最常用的溶劑 二氯甲烷可有效自壓鑄件表面去除過量之有機樹脂嵌入物 2 乳化清洗可用以去除油脂及拋光化合物 乳化清洗劑可為中性或鹼性 pH值7以上 以免腐蝕鎂合金鎂合金表面 加水及溶劑使用前宜加以測試 以避免可能之金屬孔蝕現象 化學清洗 3 酸洗 酸洗可去除緊密附著于鎂合金表面之污染物 或是不溶于溶劑與鹼液之污染物 這些污染物包括有色天然氧化物 嵌入之砂或鐵 鉻酸鹽被覆物 焊接雜質及燃燒之潤滑劑等 酸洗處理之選擇應考慮須去除之污染物 處理之鎂合金類別 尺寸變形量可容許限度 及所需之表面外觀 選擇適當之酸洗法可避免表面形成狀之黑色污染物 鎂合金表面處理除改變金屬表面之耐腐蝕性 也可提供裝飾性之外觀 利用硝酸鐵 醋酸 硝酸鹽或磷酸清洗皆可達到目的 硝酸鐵酸洗會在表面形成氧化鉻膜 使表面鈍化而增強其耐腐蝕性 醋酸 硝酸鹽及磷酸酸洗可作為一種螫合劑 自鎂合金表面有效去除其它金屬雜質 阻止局部電流腐蝕 下表為鎂合金之酸洗處理法 化學清洗 4 鹼洗 鎂于噴涂前 電鍍及化學處理前最常用鹼液清洗 它也可自鎂零件去除鉻酸鹽被覆物 大部分之鎂合金不易被鹼侵蝕 除了焦磷酸鹽及聚磷酸鹽 這些鹼類甚至于pH大于12時亦不致侵蝕鎂合金 用于低碳鋼之重鹼液清晰劑亦適用于鎂 一般浸漬清晰液包括氫氧化鈉 碳酸鹽 磷酸鹽 鉻酸鹽或其它組合 也包括天然樹脂或合成界面活性劑為乳化劑 陰極清洗利用工件作為清洗液之陰極 使用6V之直流電 電流密度為1 5A dm2 陽極清洗易形成不必要之氧化物或氫氧化物被覆物 故不建議使用 長時間之陽極清洗也容易形成鎂零件之孔蝕 鎂零件浸漬或電解清洗簡單鹽浴配方如下表 化學清洗 鎂合金之酸洗處理法 化學清洗 鎂合金之鹼液清洗法 鎂合金之DOW20鉻酸鹽化成處理 DOW20鉻酸鹽化成處理法為DOWNo 1之改良制程 是一種鉻酸鹽之表面或處理法 此制程適用于所有類別之鎂合金 DOW20化成處理具良好之噴漆底材特性 但零件于處理時易受侵蝕 對高精密零件須考慮到金飛行屬表面之受損性 DOW20化成處理之色澤與表面侵蝕受鹽浴老化程度 合金組成 鹽浴成分比例及金屬熱處理所影響 最理想之噴漆底材為黃珍珠狀之沖蝕物 這種類型之被覆物可浸漬于新鮮溶液中即可得到 表一為DOW20之配方 表二為DOW20之操作流程 表一表二 鎂合金之DOW20鉻酸鹽化成處理 1 為使試片組件表面均勻 鹼洗前最好作機械表面處理 用溫和鹼液沖蝕清洗或H3PO4或HF H2SO4清洗亦可加以考慮 以改善被覆物之均勻性 2 組件浸漬處理與蒸餾水清洗間之空氣暴露時間不可過長 否則易使殘留之鉻酸鹽滯留于表面 干燥后形成粉狀被覆物 增加其粗糙度 妨礙噴漆涂裝之附著性 3 Dow20化學分析檢測項目為HNO3及Na2Cr2O7 4 Dow20化成處理AZ91D壓鑄試片有時易形成粉狀被覆物 若將工件預熱或處理溶液預熱 可阻止粉狀被覆物之生成 5 Dow20鉻酸鹽處理若有粉狀被覆物發生時 可檢查鉻酸鹽浴之pH值 檢查Na2Cr2O7 HNO3之濃度比例 零件是否氧化腐蝕及污染 6 Dow20溶液調配時 化學藥劑依順序填加 一溶劑攪拌完全后 再添加另一藥劑 調配時鹽浴溫度可較室溫略高 維持在70 110 注意事項 鎂合金之DOW20鉻酸鹽化成處理 7 表面處理之控制 有時易形成棕色非附著性之粉末被覆物 或深灰色到黃紅色被覆物 其原因與處理方法如下表 鎂合金之非鉻系化成處理 目前鎂合金壓鑄件之化成處理仍以低成本 防蝕性優良之重鉻酸鹽皮膜處理為主流 由于重鉻酸鹽處理溶液中之Cr 6是一種致癌物 對現場工作人員健康造成嚴重危害 且鉻酸制程產生之含鉻廢物處理不易 成本昂貴 同時鉻酸鹽對地球環境污染極為嚴重 雖可考慮設置離子交換系統來處理鉻廢液 但僅能符合一般環保要求 欲追上ISO14000之環保品質標准仍有一段差距 歐盟共同體于1997年底提出方案于2003年禁止使用鉻系之化成皮膜處理 且得到美國與日本之認可 鉻系化成皮膜使用的緩沖時期不多 目前市場上使用之非鉻系可處理膜法膜法包括磷酸鹽法 含磷酸鹽 錳鹽 鉻及其它化合物 過錳酸鉀法 含有過錳酸鉀 鈦 鉻及其它化合物 釩酸鹽法 含有釩酸鹽 磷酸酯及其它化合物 與鉻系處理法比較 藥液主成分明顯有異 但于皮膜品質及膜均勻性 導電性 耐蝕性 涂裝密著性皆可分庭抗禮 非鉻系化成處理之原則包括 1 自原料開始即不使用含Cr 6污染物 2 廢液無Cr 6 鎂合金之非鉻系化成處理 鎂合金回收再利用時 無六價鉻污染之合金非鉻系處理如下 脫脂洗淨 水洗 酸洗 水洗 化成皮膜 水洗 水洗 干燥 下表為非鉻系化成處理之比較 鎂合金之電鍍表面處理 電鍍一種應用電化學之作業而達到金屬沉積作表面處理法 是利用直流電源使電流通過電解槽之陽陰極 使電鍍溶液中產生電子移轉及氧化 還原 依不同目的而使選擇性的金屬附著力沉積于陰極基材上 借制程條件之控制以達到改變基材表面或尺寸修補等目的 鎂及其合金電鍍表面處理之基本步驟可包括 1 表面調質2 活化3 鋅浸漬被覆4 銅打底5 標准電鍍過程 鎂合金之電鍍表面處理 鎂合金之電鍍表面處理 鎂合金之無電鍍鎳處理制程 無電鍍制程乃不導入直流電流作用于含有欲鍍金屬離子之水溶液中 于適當之控制操作條件下 利用催化現象與還原劑使水溶液中之金屬離子經化學反應而還原成金屬所進行的一種連續性 自身具催化性之表面被覆物處理法 一般無電鍍鍍液由下列成分組配而成 1 金屬離子 鍍層金屬來源 2 還原劑 將金屬離子還原成金屬 3 催化劑 使基材表面具催化性 4 錯合劑 防止氫氧化物沉澱 調整析出速率 防止鍍液分解 5 緩沖劑 控制pH值于操作范圍內 6 潤滑劑 使表面作用良好 7 光澤劑 使鍍層具良好光澤性 8 安定劑 吸著微粒雜質防止鍍液自然分解 使鍍液安定 延長鍍液壽命 鎂合金之無電鍍鎳處理制程 1 還原劑之氧化還原電位須足夠 以還原金屬離子使金屬析出 2 鍍液須安定 于催化性之鍍件表面接觸時可迅速開始作用 析出金屬鍍層 3 析出速率能被控制 pH值 溫度能調節析出速率 4 析出金屬須具催化作用 進行自身催化電鍍 使鍍層連續成形 以達所需之鍍層厚度 5 鍍液反應生成物不妨礙鍍液功能 使鍍液壽命長久 6 原料成本須便宜 無電鍍液之配方要件 鎂合金之無電鍍鎳制程可分為下列步驟 1 表面調質 2 化學浸蝕或鋅浸漬加銅打底 3 鍍無電鍍鎳 4 鈍化或標准電鍍制程 鎂合金之無電鍍鎳處理制程 鎂合金之無電鍍鎳處理制程 鎂合金之無電鍍鎳處理制程 鎂合金之陽極氧化處理 鎂合金陽極氧化為及佳噴漆底材品質 并具良好之耐腐蝕性 它也具極佳硬度及耐磨耗性 DOW17陽極氧化可應用到所有類別與形態之鎂合金 其制程乃利用含磷酸鹽 氟化與鉻酸鹽離子組合之酸電解質水液 它是一步處理過程而得到2種不同厚度之被覆物 較薄層被覆物可應用于被噴涂被覆物 為淡灰色到淡綠色 而較厚之深綠色被覆物于未噴涂狀態即可增強耐腐蝕性與耐磨耗性 其缺點乃當鎂處于鹽苛環境下易剝落 陽極氧化未噴涂處理之被覆物的耐腐蝕性可浸漬于四矽酸鈉溶液中封孔而以改善 而利用底粘度表面張力及緩慢干燥速率之有機物表面處理封孔 亦可改善其剝落特性 深綠色厚度被覆物之厚度約0 0015寸 陽極氧化處理可利用交流電 被覆物之結果與特性大同小異 一般商業化設備皆使用交流電 因為設備成本便宜 直流電被覆物之優點不甚明顯 應用直流電時后層被覆物表面較平滑 對鍛件產品具耐磨耗性 其處理時間較利用交流電少30 鎂合金之陽極氧化處理 若有金屬鑲嵌物時 最好鎂零件陽極處理完畢后再插入鑲嵌物 若鑲嵌物必須于鎂零件所處之陽極氧化前就鑲入 則在陽極處理時必須將鑲嵌物遮蔽 除非鑲嵌物材質是鋁合金 因為大部分鋁合金于溶液中易極化 使得鎂合金可陽極氧化 DOW17陽極氧化之處理流程如下 鎂合金之陽極氧化處理 另有一種TAGNITE的陽極氧化制程 TAGNITE陽極氧化被覆制程包括二步驟 首先鎂合金浸漬于加熱之含氟離子溶液產生簡易化學反應 生成之薄膜含有MgF2及MgO 可作為第二步驟電解陽極氧化之底層 電解陽極氧化可利用高壓整流器供應AC DC記號到電化學槽體 于陽極氧化制程中 鎂合金零件于電解中為陽極 不鏽鋼為陰極 電解制程可同時使基材金屬氧化 且使含矽酸鹽之電解質被覆到鎂合金 大于150V高壓 可形成火花被覆制程 在1 2分種內 電流密度為15A ft2 電壓槽電壓增加到150 190V 火花被覆甚為明顯 火花形成主要原因乃使用之電壓大于第一步化學反應形成及隨即電解反應被覆層之介電繼電電壓 火花所生成之局部溫度可高達1000 這種高溫可使氧化物與矽酸鹽沉積于金屬表面 雖然火花形成之熱量局限于表面 溶液之電阻熱須有一冷卻系統使電解質溫度維持在10 20 之間 鎂合金之陽極氧化處理 三種鎂合金陽極氧化被覆制程之說明 陽極氧化于固定電流下進行 電壓持續上升以維持所需之電流密度 被覆物厚度與電阻增加時 終極電壓隨鹽浴組成之合金及電流密度而變 但對任何合金 每單位面積之電流數則保持不變 鎂合金之噴漆與涂裝表面處理 涂裝之目的乃給予美觀與被涂物金屬之保護 自耐腐蝕性觀點看來 于涂裝前處理上 如何使表面鈍化極為重要 以遮蓋方法防蝕處理 為強化透水率 透氣性 附著力 膜厚 需選擇良好樹脂很重要 就美觀觀點來看 被涂物表面須平整 涂裝前之表面調整 機械研磨 化學拋光 成型時表面的細度極小化 熱水皺紋 熱水流痕 鑄件之表面粗糙度 盡可能地作成平滑表面極其重要 作為塑料對與表面平滑之方法包括 1 為附與表面流動性 調整表面張力 2 依據素材狀態有必要利用研磨劑 3 針孔 孔穴與表面凹凸不同 為鑄件內部缺陷 要和表面調整所不同之技朮角度來處理 鎂合金零件之噴漆涂裝表面處理與其它金屬類似 必須有一良好之噴漆底層 鎂噴漆前應有適當機械與化學處理之清潔表面 鎂合金之噴漆與涂裝表面處理 底漆層 鎂成功之噴漆表面處理與選擇理想之底層漆關系甚大 鎂噴漆附著性之品質深受鎂金屬形成自我保護層之鹼性所影響 若這層鹼性保護不是太厚或太陳舊 可提供良好之機械附著性 于干燥環境下 噴漆對鹼性層有良好之附著性 并可維持適當之壽命 當長期暴露在嚴苛腐蝕條件下 在鎂零件使用對鹼性敏感的噴漆涂層之剝落及全部破壞 短期或間歇性的暴露在相同嚴苛環境 剝落不甚明顯 因為鹼性碳酸鎂于金屬鎂上形成 碳酸鎂層易脫水形成復雜膠結結構 可耐腐蝕環境下之濕氣 乙烯基 環氧樹脂 醇酸樹脂及硝化纖維 聚酯類之耐鹼性鍵結底漆層可加以使用 而于實際應用上PolyvinylButyral及Epichlorohydrin bisphenol樹脂可提供鎂底漆有效之涂層 底漆層之烘干硬化可改善耐鹼性及附著性 許多傳統底漆均可用于鎂合金 但其磷酸含量須降低75 以阻止氣泡發生 用于其它金屬之傳統底漆層可能不適用于鎂 欲使用須經適當測試 最好在實際之操作條件下測試 以証明其適用性 大部分用于鎂合金之底漆對鋼和鋁之附著性亦佳 鎂合金之噴漆與涂裝表面處理 面漆層考慮之原則 1 與底漆層之相容性 2 操作條件與表面處理設備適用性能之配合 3 暴露在操作條件下時 能提供所需之保護 成功應用于鎂面漆涂層系統包括醇酸樹脂 環氧樹脂 環氧 聚酯樹脂 壓克力及PU被覆物 鎂面漆涂層可利用靜電被覆法 特別是使用環氧樹脂或環氧 聚酯粉末時 它們可成功的應用于鉻酸及磷酸化成處理 除可提供良好之耐蝕性 也可提供一高韌性 耐沖擊被覆層 電著涂裝 ElectrophoreticPainting 亦可使用于鎂合金 較早是利用陽極電泳將底漆或單層面漆噴涂于鎂合金零件上 零件可浸漬到稀釋水溶解樹脂桶槽中作為陽極 于70 300V電壓下通電 進行底漆及面漆之噴涂 后來發展出陰極電泳 陽極電泳和陰極電泳均可提供傳統涂裝方式所不易達成的連續且厚度均勻之涂層 但陰極電泳更可鈍化鎂合金加強耐腐蝕性 陰極電泳比傳統噴涂系統對深孔及復雜表面零件之噴涂可得更均勻效果 但無法解決潛在之電解腐蝕問題 且由于涂層甚薄 用于過度表面粗糙 粉狀被覆物及含助熔劑及鐵矽有害污染物之鎂壓鑄件可能提早破壞 陰極電鍍被覆物用于高品質鑄件可得極佳性能 面漆層 鎂合金之噴漆與涂裝表面處理 鎂合金噴底漆及面漆前使用熱固性環氧樹脂封孔 可改善陽極氧化及鉻酸鹽化成處理之耐蝕性 這對壓鑄件或不同金屬鑲入物成組件結合時特別有效 CibaGeigy生產之Araldite985E及597樹脂可做良好之封孔劑 這2種環氧樹脂經混合 再利用6 之Diacet oneAlc