摘要：為了解決鎂合金輪轂耐蝕性較差、表面防護層不能滿足實際應用需求的問題，分別在鎂合金汽車輪轂表面制備了微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層，對比分析了三種防護層的顯微形貌、耐腐蝕性能和彎曲性能。結果表明，微弧氧化防護層的厚度最小（10.79μm）、與基體的結合力最低（2.10N），而氟碳漆防護層的厚度最大（67.17μm）、與基體的結合力最高（33.95N），聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的防護層厚度符合QCT 484-1999《汽車油漆涂層》標準中TQ2甲等要求。三種防護層的耐腐蝕性能都優于鎂合金基體，且聚酯漆防護層和氟碳漆防護層具有明顯較高的耐腐蝕性能。靜態彎曲實驗過程中，微弧氧化防護層和聚酯漆防護層的延展性優于氟碳漆防護層；動態彎曲實驗過程中，微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層試樣開始出現裂紋對應的彎曲次數分別為3659次、5077次和4280次。聚酯漆防護層與基體的結合力較大，且具有良好的耐腐蝕性能、靜態/動態彎曲性能。

關鍵詞：鎂合金；表面防護層；結合力；耐腐蝕性能；彎曲性能

1、引言

鎂合金由于密度輕、強度高、彈性模量大、散熱和消震性能好等特點，而被廣泛應用于汽車及摩托車等行業，在鎂合金用于汽車輪轂時，由于服役環境較為惡劣，鎂合金汽車輪轂需要具有良好耐腐蝕性、耐磨性和防劃傷等特性[1-2]，而單純鎂合金無法滿足上述使用性能要求，需要在鎂合金汽車輪轂表面制備防護層以提升其使用性能[3]。常用的表面防護技術包括電鍍、化學鍍、噴涂等，雖然這些表面改性技術都能在一定程度上改善鎂合金的使用性能，但是同時存在對設備要求高、防護層較薄且疏松多孔、制備過程涉及環境污染等問題[4]。目前市場上常見的鎂合金輪轂的表面防護多采用微弧氧化和氟碳漆防護層，文獻[5]在ZK60鎂合金上制備了微弧氧化涂層，雖然微弧氧化處理操作簡單、涂層與基體結合緊密，但是存在膜層多孔而耐腐蝕性差，無法通過1000h鹽霧腐蝕測試，不能滿足汽車工業的適應要求；文獻[6]在鎂合金輪轂上制備了氟碳漆防護層，雖然涂層均勻致密，但是無法覆蓋形狀復雜的部位，且在承受彎曲載荷時容易產生裂紋等缺陷。因此，需要進一步開發出適用于鎂合金輪轂的新型表面防護技術，增強其對鎂合金基體的防護作用、延長服役壽命，這方面的研究還未獲得實質性突破。

這里在歸納總結現有鎂合金表面改性技術的基礎上，嘗試性地在鎂合金表面制備了新型聚酯漆防護層，并與目前應用較廣的微弧氧化防護層和氟碳漆防護層進行了對比分析，考察了三種防護層的顯微形貌、與基體的結合方式、耐腐蝕性能，以及承受的極限載荷和交變疲勞載荷作用下的彎曲性能，以期為環境友好、高耐蝕性和長壽命的鎂合金汽車輪轂表面防護層的開發與應用提供參考。

2、材料與方法

2.1 實驗原料

實驗原料為課題組聯合重慶大學和山西聞喜銀光鎂業集團等單位開發的汽車輪轂用Mg-4.9Al-1.2Zn-0.4Mn 鎂合金板材（厚6mm、擠壓態），采用電感耦合等離子發射光譜法測得鎂合金主要元素化學成分（質量分數，%）為：4.96Al、1.18Zn、0.39Mn，余量為Mg。

2.2 防護層制備

在制備防護層前對鎂合金進行預處理，鎂合金板材加工成（80×45×5）mm（上下表面銑面），在JYM-1型金相研磨機上逐級打磨（60#、200#、600#和1000#砂紙），P-1型金相拋光機上用1.5目研磨膏拋光，去離子清水沖洗后丙酮超聲清洗并吹干備用。

（1）微弧氧化防護層：在WHD20~400 型微弧氧化設備上采用恒流模式在經過預處理的鎂合金試樣表面制備防護層[7]，電流密度、占空比分別為2.5A/dm2和30%，電解液為15g/L Na2SO3+10g/L KOH+2.2g/L NaF混合溶液，氧化時間為10min，沸騰去離子水中封閉120s后干燥備用；

（2）聚酯漆防護層：將經過預處理的鎂合金試樣進行弱酸刻蝕（硝酸90g/L+硝酸鈉50g/L+酒石酸0.5g/L，室溫30s）以增強基體與防護層的結合力，采用HVLP噴涂機制備聚酯漆防護層，噴涂氣體為壓縮空氣、噴涂距離為90mm、噴涂層數為單層，噴涂完后室溫放置24h；

（3）氟碳漆防護層：采用HVLP噴涂機在經過預處理的鎂合金基體表面制備以雙組分漆為配方的氟碳漆防護層，噴涂距離為20cm、噴嘴方向為垂直于工件、空氣壓力為5kPa，配方（質量分數）為76%羥基氟碳乳液+6.5%異氰酸酯+0.45%潤濕劑+0.42%增稠劑+4.1%助溶劑+12.53%去離子水，噴涂后進行120℃/60min烘干處理，空冷后晾干。

2.3 測試與表征

采用蔡司SIGMA 300型場發射掃描電鏡對鎂合金表面防護層的表面形貌和截面形貌進行觀察；采用MT-500探針式材料表面磨痕測量儀對鎂合金表面防護層厚度進行測試，以3個不同位置的平均值作為測試結果；采用WS-2005型涂層附著力自動劃痕儀對鎂合金表面防護層與基體的結合力進行測試，結果為3次測量的平均值；在CHI660E 型電化學工作站中對鎂合金防護層試樣進行了陽極極化曲線測試，標準三電極體系，鉑電極為輔助電極、防護層試樣為工作電極、飽和甘汞電極為參比電極，腐蝕介質為3.5wt.%NaCl溶液，測試溫度為室溫；靜態彎曲實驗在SANS萬能試驗機上進行，采用三點彎曲形式、跨距65mm，通過彎曲壓力-彎曲位移曲線表征延展性[8]，直至彎曲位移增加至25mm時停止實驗；動態彎曲實驗在QC-111型動態彎曲試驗機上進行，通過對防護層試樣進行局部反復彎曲應變（上下行程都為5mm），記錄試樣表層開始出現裂紋對應的彎曲次數。

3、結果與分析

鎂合金表面防護層的顯微形貌，如圖1所示。分別列出了微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的表面形貌。對比分析可見，三種表面防護層的表面顯微形貌存在較大差異，具體體現在微弧氧化防護層表面存在均勻分布的孔徑約（3~5）μm的噴射狀微孔，聚酯漆防護層表面較平整，而氟碳漆防護層表面較為粗糙（局部可見顆粒堆積）。造成這種差異的原因在于，微弧氧化防護層的形成是通過等離子弧光放電沉積陶瓷層（熔融氧化物），而聚酯漆防護層和氟碳漆防護層是通過噴射的方式在表面逐層堆積涂料，等離子體弧光放電過程中的熔融物會產生噴射效應而在表層形成微孔[9]，而逐層堆積形成防護層則在表面存在細小的涂料顆粒。

圖1 鎂合金表面防護層的顯微形貌

Fig.1 Microstructure of Surface Protective Layer of Magnesium Alloy

鎂合金表面防護層的截面形貌，如圖2所示。

圖2 鎂合金表面防護層的截面形貌

Fig.2 Cross Section Morphology of Protective Layer on Magnesium Alloy Surface

微弧氧化防護層的截面形貌中可見，表面防護層厚度較小（約3μm），但是防護層與基體實現了冶金結合，未見界面結合處存在孔洞、裂紋等缺陷；聚酯漆防護層較厚，與基體的結合方式為機械結合，界面處可見基體表面粗糙度較大，這主要是由于在制備聚酯漆防護層前鎂合金表面需要進行化學蝕刻處理的緣故[10]；氟碳漆防護層的防護層厚度也明顯高于微弧氧化防護層，與基體的結合方式為機械結合，但是由于制備防護層前不需要化學蝕刻預處理，使得氟碳漆防護層/基體界面較為平直，未出現聚酯漆防護層與鎂合金基體之間的機械咬合現象。

鎂合金表面防護層厚度和與基體的結合力，如表1所示。微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的厚度分別為10.79μm、55.46μm 和67.17μm，與基體的結合力分別為2.10N、24.27N 和33.95N。由此可見，鎂合金表面三種防護層中，微弧氧化防護層的厚度最小、與基體的結合力最低，而氟碳漆防護層的厚度最大、與基體的結合力最高，這主要與鎂合金表面改性處理前的基體粗糙度以及表面改性過程中防護層/基體的成分擴散相關[11-12]。氟碳漆防護層在制備前經過了刻蝕處理，防護層與基體的機械咬合力較大，而聚酯漆防護層雖然沒有經過預先刻蝕處理，但是后處理工藝中存在一個加熱過程，防護層/基體的元素擴散更加充分，因此聚酯漆防護層和氟碳漆防護層與基體的結合力都要高于微弧氧化防護層。QCT 484-1999《汽車油漆涂層》標準中規定TQ2甲等要求[13]需滿足涂層厚度>20μm，因此，從防護層厚度角度出發，微弧氧化防護層厚度較小（10.79μm），不符合標準要求。

表1 鎂合金表面防護層厚度和與基體的結合力

Tab.1 Thickness of Surface Protective Layer of Magnesium Alloy and Adhesion to Matrix

鎂合金基體與表面防護層的陽極極化曲線，如圖3所示。相較于鎂合金基體，微弧氧化防護層（MAO）、聚酯漆防護層（PP）和氟碳漆防護層（FC）的腐蝕電位都發生了正向移動，腐蝕電位從高至低的順序為：微弧氧化防護層>聚酯漆防護層>氟碳漆防護層>鎂合金基體；鎂合金基體、微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的腐蝕電流密度分別為40.15、4.04、0.22、0.03，單位μA/cm2，三種防護層試樣的腐蝕電流密度都明顯小于鎂合金基體。

圖3 鎂合金基體與表面防護層的陽極極化曲線

Fig.3 Anodic Polarization Curve of Magnesium Alloy Matrix and Surface Protective Layer

從熱力學參數-腐蝕電位和動力學參數-腐蝕電流密度與材料耐腐蝕性能之間的關系可知[14]，腐蝕電位反映材料的腐蝕傾向、腐蝕電流密度反映材料的腐蝕快慢，腐蝕電位越正腐蝕傾向越小、腐蝕電流密度越小腐蝕越慢，由此可見，三種防護層的耐腐蝕性能都優于鎂合金基體，且聚酯漆防護層和氟碳漆防護層具有明顯較高的耐腐蝕性能。

鎂合金防護層試樣的靜態彎曲宏觀形貌和載荷-位移曲線，如圖4所示。微弧氧化防護層和聚酯漆防護層試樣在達到設定彎曲位移時，表層仍然沒有出現起皮或者微裂紋，如圖4（a）、圖4（b）所示。而氟碳漆防護層試樣在彎曲位移達到15mm附近時就出現了表層開裂，且防護層斷口較為平直，如圖4（c）所示。由此可見，微弧氧化防護層和聚酯漆防護層都具有良好的延展性，而氟碳漆防護層的延展性相對較差。

圖4 鎂合金防護層試樣的靜態彎曲宏觀形貌和載荷-位移曲線

Fig.4 Static Bending Macro Morphology and Load Displacement Curve of Magnesium Alloy Protective Coating Samples

鎂合金防護層試樣的動態彎曲性能，如表2所示。在動態彎曲試驗機上對三種防護層試樣進行局部反復彎曲應變，微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層試樣開始出現裂紋對應的彎曲次數分別為3659次、5077次和4280次。由此可見，聚酯漆防護層和氟碳漆防護層試樣開始出現微裂紋時對應的彎曲次數都高于微弧氧化防護層，且聚酯漆防護層試樣的彎曲次數最大，能夠在動態彎曲作用下具有較長的使用壽命。究其原因，這主要是由于聚酯漆防護層和氟碳漆防護層與基體的結合方式都為機械結合，且聚酯漆防護層由于預先進行了化學蝕刻處理而產生了機械咬合效應，因此能夠經受動態彎曲拉/壓作用而保持良好的延展性[15]，而微弧氧化防護層與基體的結合方式為冶金結合、防護層較薄且結合力較小，在反復彎曲作用下較容易開裂[16]。

表2 鎂合金防護層試樣產生微裂紋時的反復彎折次數

Tab.2 Repeated Bending Times of Magnesium Alloy Protective Layer Samples with Microcracks

汽車在行駛過程中輪轂會受到汽車自重產生的垂直壓力，以及路面凹凸不平等產生的動態沖擊作用，造成汽車輪轂的局部會受到反復塑性變形，因此，要求汽車輪轂防護層在具有較好的抵御外界腐蝕性介質元素侵蝕作用的同時，還需要具有良好的靜態彎曲性能和動態彎曲性能，以保證汽車輪轂在使用過程中不會由于防護層破壞而喪失裝飾和防護作用[17]。從上述的實驗結果可知，雖然微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層試樣的耐腐蝕性能都優于鎂合金基體，但是三種防護層的靜態彎曲性能和動態彎曲性能存在較大差異；其中，聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的防護層厚度符合QCT 484-1999《汽車油漆涂層》標準中TQ2甲等要求，與基體的結合力遠大于微弧氧化防護層，但是氟碳漆防護層的靜態彎曲性能和動態彎曲性能都低于聚酯漆防護層，而聚酯漆防護層試樣同時具有良好的耐腐蝕性能、靜態彎曲性能和動態彎曲性能，可以在保證汽車輪轂良好的裝飾性的同時具有較好的綜合性能，能夠較長時間地對汽車輪轂起到保護作用，后續進一步開展聚酯漆防護層的制備工藝優化相關研究可以進一步提升防護層的使用性能，并推動其在汽車輪轂中的工業化應用。

4、結論

（1）微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的厚度分別為10.79μm、55.46μm 和67.17μm，與基體的結合力分別為2.10N、24.27N和33.95N。聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的防護層厚度符合QCT 484-1999《汽車油漆涂層》標準中TQ2 甲等要求，與基體的結合力遠大于微弧氧化防護層。

（2）汽車輪轂防護層的腐蝕電位從高至低的順序為：微弧氧化防護層>聚酯漆防護層>氟碳漆防護層>鎂合金基體；鎂合金基體、微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層的腐蝕電流密度分別為40.15μA/cm2、4.04μA/cm2、0.22μA/cm2和0.03μA/cm2。三種防護層的耐腐蝕性能都優于鎂合金基體，且聚酯漆防護層和氟碳漆防護層具有明顯較高的耐腐蝕性能。

（3）微弧氧化防護層和聚酯漆防護層都具有良好的延展性，而氟碳漆防護層的延展性相對較差。微弧氧化防護層、聚酯漆防護層和氟碳漆防護層試樣開始出現裂紋對應的彎曲次數分別為3659次、5077次和4280次，聚酯漆防護層和氟碳漆防護層試樣開始出現微裂紋時對應的彎曲次數都高于微弧氧化防護層，且聚酯漆防護層試樣的彎曲次數最大。

來源：期刊-《機械設計與制造》 夏志東1，楊建軍2，向峻伯1，茍姝貞1

（1.成都工業職業技術學院，四川 成都 610000；2.西華大學，四川 成都 610039）