镁合金黑色化学氧化工艺技术的研究及推广应用

镁合金黑色化学氧化工艺技术的研究及推广应用

李竹柳，金正敏，周晓瑜

（云南北方光电仪器公司，云南 昆明 650114）

摘要：通过对镁合金黑色化学氧化新技术、新工艺的摸索和研究，开发出了一种新的镁合金黑色化学氧化工艺，使其在镁合金（MB15、ZM5）表面获得了表面质量良好的黑色氧化膜层，采用正交试验，MgSO4·7H2O 60 优化得出镁合金黑色化学氧化的溶液配方及最佳的工艺参数：Na2Cr2O7·2H2O 150 g/L；g/L；A化学药品60 g/L；B化学药品40 g/L；添加剂1.5 g/L，温度T为85℃～100℃；时间t为10～20 min。通过正交试验，找出了影响镁合金黑色化学氧化膜层质量的重要因素及工艺参数，达到了镁合金黑色化学氧化的外观、耐蚀性、附着强度及膜层厚度等的工艺技术要求，提高了镁合金的使用价值。

关键词：镁合金；黑色化学氧化；新工艺；正交实验；推广应用

0 引言

自20世纪90年的中期以来，新型轻合金材料的研究越来越受到重视。镁合金凭借其优良的

性能受到许多国内外关注。镁合金是目前最轻的金属工程材料，它具有密度小、比强度高等特点，是重要的航空和宇航结构材料之一。然而镁合金化学活性高，在空气中易生成碱式碳酸盐膜（腐蚀产物），所以镁合金结构材料应用时，必须采取可靠的防护措施。镁合金同时也存在耐蚀性及附着强度差、易燃、室温塑性变形困难等缺点，使其应用受到很大的。因此，需要进行有效的防护处理，才能发挥其优良性能，提高镁合金的耐蚀性，通常需要对其进行表面处理。

根据产品升级换代的要求，公司及外协厂家有一些产品零件因技术要求，需将镁合金零件表面处理成黑色氧化膜，该膜层被广泛用于光学仪器消光、涂装底层及保护镁合金之用，要求膜层具有极好的附着强度和在大气中的耐腐蚀性。如公司承担的许多竞标项目如：T6、直-20、稳瞄及红外瞄准镜等许多产品都是用镁合金材料制造，而且要求进行镁合金黑色氧化处理。

1 试验材料及工艺流程

1.1 试验材料

根据生产的实际情况，我们采用了镁合金MB15及ZM5两种牌号进行试验，试件尺寸规格为：40 mm×30 mm×2 mm、25 mm×20 mm×10 mm及30 mm×25 mm三种规格。

试验所用化学试剂为：Na2Cr2O7·2H2O、MgSO4·7H2O、a化学药品60 g/L；b化学药品及添加剂。

1.2 工艺流程

经过优化及查阅相关的资料，确定了镁合金黑色化学氧化的工艺流程为：

镁合金制件→上挂→除油→热水洗→水洗→酸洗→水洗→表调→水洗→氧化→水洗→热水封闭→干燥。其中（酸洗→水洗→表调→水洗）根据零件实际情况选用。

2 试验设计

2.1 镁合金化学氧化工艺参数的单因素试验 48

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通过查阅相关资料和实际的上百次试验得出如下结论： 2.1.1 温度的选定

镁合金化学氧化溶液的温度太低，膜层形成慢，膜层薄；温度太高，膜层形成快，容易产生疏松膜，附着强度及耐蚀性能都降低，综合考虑，温度控制在85℃～100℃比较好。 2.1.2 时间的选定

在进行镁合金化学氧化过程中，时间要根据溶液的温度而定，温度低，氧化时间长些，温度高，氧化时间要短些，否则，膜层易疏松，从而影响附着强度及耐蚀性能。因此，时间控制在10～20 min较好。

2.2 镁合金化学氧化溶液参数的多因素试验

试验采用4因素3水平L9(34) 正交试验，因素水平见表1。试验温度保持在85℃～100℃，时间t为10～20 min。

表1 L9(34)正交试验因素水平表

水平

位级

A B C D 重铬酸钠

硫酸镁 40 55 75

a b 75 55 40

30 40 50

1 110 2 150 3 170

2.2.2 正交试验结果及分析

各试验因素对镁合金黑色化学氧化膜的主要指标：耐蚀性及附着强度的影响，见表2及表3。

表2 L9（34）正交试验结果

试验号

因素 评价指标

A B C D 耐腐蚀性/s 附着强度/次

1 1 1 1 1 23 10 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1

25 27 30 33 34 32 31 30

11 12 13 14 18 17 15 12

对以上正交试验数据进行计算，处理得到如下结果，见表3。 2.2.3 最佳工艺的确定

从表2、3可以看出，对膜层耐腐蚀性的影响分析，最佳工艺配方组合为：A2 B3 C3 D2；对膜层附着强度的影响分析，最佳工艺配方组合为：A2 B3 C1 D2或A2 B3 C3 D2；符合试验6所得的耐蚀性和附着强度最好。而将附着强度的两种最佳工艺组合与耐腐蚀性最佳工艺结合来看，A2 B3 C3 D2 相同，由此最终得出镁合金黑色化学氧化膜最佳工艺配方组合为：A2 B3 C3 D2。

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2020年 云光技术 第52卷 第2期

表3 正交试结果分析表

N1＝因素1三次耐腐蚀性时间之和的平均值N2＝因素2三次耐腐蚀性时间之和的平均值

耐腐蚀性/s

N3＝因素3三次耐腐蚀性时间之和的平均值极差R 最佳条件

F1＝因素1三次附着强度次数之和的平均值F2＝因素2三次附着强度次数之和的平均值

附着强度/次

F3＝因素3三次附着强度次数之和的平均值极差R 最佳条件

25.00 28.33 29.33 28.67 32 .33

29.67

28.33

30.33

31.00 30.33 30.67 29.33 7.33 2.00 2.34 1.66 A2

B3

C3

D2

11 13.3 14.3 12 15 13.3 12 15.3 14.6 14 14.3 13.3 4 0.7 2.3 3.3 A2

B3

C1、C3

D2

各因素对特性值膜层耐蚀性的影响显著分析如下：

根据极差来确定，极差越大影响越大。由此，对因素A、B、C、D对耐蚀性和附着强度的影响的显著程度进行排列如下：

A C B D（耐腐蚀性） A D C B（附着强度）

大 小 大 小

2.2.4 试件氧化前后效果

试件氧化前后的效果如下图1所示。

氧化前 氧化后

图1 试件氧化前后的效果

3 氧化后达到的技术指标及检验标准

1）外观表面色泽：深棕色或黑色。 2）化学氧化膜层厚度：0.5～3.0 m。

3）附着强度：根据WJ 2607-2003《兵器产品表面化学处理与电化学氧化处理膜层通用规范》标准中的擦拭法检测附着强度。用软质棉织品或过滤纸，在处理膜层上轻轻擦拭，往复5次，观察擦拭用品，应不出现相应的印痕。

4）耐腐蚀性：根据HB5061-77《镁合金化学氧化膜层质量检验》和航天工业部部标准QJ468-8550

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《镁合金化学氧化膜层技术条件》标准中的滴定法检测膜层耐腐蚀性。用0.05 g高锰酸钾，5 mL，95 mL纯水配制的溶液滴定，15℃～30℃时，液滴由紫红变无色的时间。

以上技术指标均通过检验人员按照相关标准检验后，均达到要求。

4 应用及推广情况

镁合金黑色化学氧化工艺的研究成功，填补了云南北方光电仪器公司表面精饰工艺的空白，该工艺目前已成功用于产品的生产上，并已推广到产品许多产品项目上。该工艺的研究成功对提升公司的工艺技术能力、提升产品竞争力具有重要的意义，同时可为公司创造可观的价值收益。为我们在表面精饰领域开拓更广阔的市场，从技术储备上可以增加我们的工艺技术实力，为工艺技术创新注入了新的血液，在镁合金的耐酸性方面得到了很大的提高，从而提高了镁合金的使用价值及推广范围。

5 标准化

镁合金黑色化学氧化工艺的研制成功，在公司乃至表面处理行业具有很好的推广价值，因此，我们就其工艺过程、氧化溶液的配方和配制、溶液的维护和调整、操作注意事项、不合格氧化膜的退除等内容纳入了氧化工艺规程。该工艺方法、工艺参数已经用于指导生产。

6 结语

镁合金黑色化学氧化工艺是一个新技术、新工艺，填补了我公司的工艺空白，该工艺目前已成功用于产品的生产上。随着现代产品材料结构的升级和表面处理工艺要求的不断提升，发展并应用这一新工艺有着广阔的前景。

工艺技术创新是一个国家、一个企业发展的强大动力和不竭之源，是企业生存发展的关键因素，对企业可持续发展能力的增强具有重要的现实意义，我们应加强工艺技术能力的创新，为公司的发展提供可靠的保证，注入新的活力，使公司逐渐发展壮大。

参考文献：

[1] 电镀手册. 国防工业出版社

[2] 陈治良. 简明电镀手册. 化学工业出版社

[3] 中华人民共和国兵器行业标准WJ 2607-2003兵器产品表面化学处理与电化学氧化处理膜层通用规范. [4] 中华人民共和国第三机械工业部部标HB5061-77镁合金化学氧化膜层质量检验标准. [5] 中华人民共和国航天工业部部标准QJ468-85镁合金化学氧化膜层技术条件. [6] 电镀与精饰, 2011, 第33卷,天津市电镀工程学会主办.

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