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1、江 西 科 技 师 范 学 院毕业设计（论文）题目（中文） ：氢氧化钠浓度对镁合金微弧氧化膜性能影响 （外文）: Influence of NaOH concentration on properties of anodic coatings formed on magnesium alloy 院（系）： 材料科学与工程学院 目录摘要.2Abstract.21. 引言.21.1镁的丰富来源及广泛应用21.2镁合金性能及其防护3 1.3 微弧氧化技术.5 1.4 植酸.52.实验方法.63.实验结果与讨论.7 3.1电导率.73.2终止电压.83.3 试样在模拟体液中腐蚀情况.113.4氧化膜表
2、面形貌和成分.124.结论.14参考文献.14修改意见:数字和字母采用Times New Roman 格式.氢氧化钠浓度对镁合金微弧氧化膜性能影响摘要: 在含12 g/l植酸钠的环保型电解液中，添加0-10 g/l的NaOH，研究NaOH浓度对镁合金微弧氧化膜性能的影响。随着NaOH浓度的增加，溶液电导率增加，氧化终电压下降。NaOH浓度使氧化膜中磷含量降低，但对氧化膜耐蚀性影响不大。关键词：镁合金；微弧氧化；植酸钠；NaOH修改意见:蓝色字体是我修改后加上去的。Abstract: in 12 g/l C6H18O24P6 the environmental protection electr
3、olyte, add 010g /l NaOH solution of the different levels .and take the microarcsecond of technology, the Simulated fluids the study of magnesium alloy into the performance impact. as naoh concentration increase, the electrical conductivity, of the voltage. naoh to oxidation of concentration in the p
4、erformance is oxidation, but the colors would become lighter . In the Simulated body a period of time, type that, with the NaOH rising, and magnesium alloy resistant to corrosion would reduce but not big changes.Keywords: magnesium alloy; micro arc oxidation; C6H18O24P6 ; NaOH1. 引言1.1镁的丰富来源及广泛应用 镁是地
5、壳中第三最丰富的元素，储量占地壳的2.5%，仅次于铝和铁。我国镁的储量居世界首位，占世界储量的60%以上1。镁是银白色的金属，密度1.738克/厘3，熔点648.9。沸点1090。镁化学式Mg,相对原子质量24.3050，电离能7.646电子伏特，是轻金属之一，具有延展性，金属镁无磁性，且有良好的热消散性。镁是人体中仅次于钾的细胞内正离子，它参与体内一系列新陈代谢过程【2】，包括骨及细胞的形成，与神经肌肉和心脏功能有密切关系。一般成年人每日对镁的需求量，男性为350毫克，女性为300毫克，如果缺镁，可导致肌肉无力，耐久力降低。由于运动，特别是长时间高强度运动大量消耗体镁是一种参与生物体正常生命
6、活动及新陈代谢过程必不可少的元素。镁影响细胞的多种生物功能：影响钾离子和钙离子的转运，调控信号的传递，参与能量代谢、蛋白质和核酸的合成；可以通过络合负电荷基团，尤其核苷酸中的磷酸基团来发挥维持物质的结构和功能；催化酶的激活和抑制及对细胞周期、细胞增殖及细胞分化的调控；镁还参与维持基因组的稳定性，并且还与机体氧化应激和肿瘤发生有关。 镁的吸收代谢：成人身体总镁含量约25g，其中60%65%存在于骨、齿，27%分布于软组织。食物中的镁在整个肠道均可被吸收，但主要是在空肠末端与回肠部位吸收，吸收率一般约为30%。膳食中促进镁吸收的成分主要有氨基酸、乳糖等；抑制镁吸收的主要成分有过多的磷、草酸、植酸和
7、膳食纤维等。成人从膳食中摄入的镁大量从胆汁、胰液和肠液分泌到肠道，其中60%70%随粪便排出，部分从汗和脱落的皮肤细胞丢失4。 镁可以有效促进钙的吸收.在细胞中有一个特殊的钙的通路,其形成的主要元素是镁.所以人体缺镁会影响钙的代谢。修改意见:数字和字母采用Times New Roman 格式，如红色字体部分。.镁主要用于制造铝合金，镁作为合金元素可以提高铝的机械强度，改善机械加工及耐碱腐蚀性能6。由于镁基合金（含铝、锰、锌、锂等）的结构件或压铸件的比强度（单位重量的强度）大，在汽车、航空、航天等工业中，用镁代替部分的铝，可减轻结构的重量。由于镁和卤素的集合力强，镁是用在金属热还原法生产钛、锆、
8、铪、铀、铍等的重要还原剂。镁是用作生产球墨铸铁的球化剂。在钢铁冶炼中用镁代替碳化钙脱硫，可以使钢中硫的含量下降得更低，使镁在这方面的用量增长较快。在有机合成中，应用镁的格里纳德（Grignard）反应，可以合成多种复杂的有机化合物。镁还用作化工储槽罐、地下管道及船体等阴极保护用的阳极材料。用镁来制造干电池、镁海水储备电池。镁由于燃烧热高，燃烧时发出耀眼的火焰，用镁制造照明弹、燃烧弹和焰火等。此外，镁还可以作为一种新的储能材料。 中国镁工业要想取得更大发展，需要进一步优化产品结构，生产高附加值、高科技含量的镁产品，扩大国内镁的应用，增强国际竞争力；同时必须下大力气推广新能源，节能降耗，走上循环经
9、济之路9。1.2镁合金性能及其防护镁合金在共晶温度时，具有相单相组织，而在常温下具有+（Mg2Al3）组织。镁在相中有一定的溶解度11，而且镁原子半径与铝原子半径相差很大，故能产生很强的固溶强化作用。AZ系列合金中Zn在合金中溶于相，并在晶界上形成T相，有效抑制镁原子的扩散和相的析出。因此其组织稳定性强，应力腐蚀倾向较小。合金中的表面活性元素Be富集于表面，而成为氧化铝膜中的组成物，增大了氧化膜的电阻率，故提高合金抗氧化性。又由于BeO的体积是氧化前Be体积的1.7倍，提高了氧化膜的致密度，因而提高耐蚀性。AS系列合金中的Si、Mn的辅助强化，提高了组织稳定性，减小应力腐蚀倾向，Si也减小了热
10、裂倾向。 另外，镁合金还具有其他一些特点，如密度低，但比强度、比刚度高；吸震性好；收缩率均匀一致，具有良好的蠕变强度；缩孔倾向小；流动性好、凝固快；与钢之间的粘附系数低，易脱模；与Fe、Co、Cr、W等元素不溶或微溶，对钢质模具和工具侵蚀作用小；有良好的切削加工性能等优点。镁合金的腐蚀防护12提高镁合金的耐蚀性对于医用镁金属植入材料是十分重要的，目前发展的镁合金腐蚀防护方法主要包括以下几个方面：(1)提高合金纯净度。影响镁合金耐蚀性的最重要因素之一是其中的杂质含量，尤其是有害元素如Fe、Ni、Cu和Co的含量。因此控制合金中有害元素的含量在容许极限以下，降低冶金中重金属杂质的含量，可有效提高合
11、金的耐腐蚀性能。(2)合成保护性膜层或涂层。保护性膜层或涂层主要包括化学转化膜层和有机膜层。化学转化是通过化学或电化学反应在基体金属表面形成防护膜层的方法。实际应用最多的铬酸盐处理工艺中含Cr6+离子，有毒性，污染环境并危害人体健康，不适合作为医用镁合金的表面处理方法。后来逐渐发展了处理液以高锰酸盐、可溶性硅酸盐、硼酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氢氧化物为主的表面处理方法7。Amy LRudd等应用稀土转化技术在镁表面生成了一层保护性膜，发现处理后的镁合金耐蚀性能显著提高。镁合金的化学转化膜具有多孔的特点，一般作为基底，需要进一步的封闭处理。通常采用乙烯树脂、聚氨酯以及橡胶等材料获得有机涂层防护膜，但
12、是有机涂层及特殊涂层只能用来短时间地保护金属，不能长期用作保护涂层。(3)采用快速凝固工艺。快速凝固可以减小杂质的有害作用，因为快速凝固增大了有害杂质的固溶极限，形成了成分范围较宽的相组织。而且快速凝固使表面的成分均匀化，能减小局部微电偶电池的活性。更重要的是，由于快速凝固工艺能增大以高浓度存在时可以形成玻璃体氧化膜的元素的固溶度，促进更具保护性并有“自愈”能力的玻璃体膜的形成，因此也能提高材料的耐蚀性能12。(4)离子注入和激光处理等表面改性技术。离子注入是将高能离子在真空条件下加速注入固体表面的方法，利用该法几乎可以注入任何离子。可以通过注入具有耐蚀性能的元素来提高合金的耐蚀性，如在纯镁表
13、面注入硼，可使镁的开路电势正移200mV，扩大钝化区电势范围，降低临界钝化电流密度13。激光处理能改变金属表面，形成亚稳态结构固溶体，在纳秒范围内脉冲激光可以产生高达1010s的冷却速率，使金属表面实现快速凝固。修改意见：红色部分可以删掉。1.3微弧氧化技术微弧氧化处理15是将铝或镁作为阳极，以不锈钢为阴极，置于脉冲电场环境的电解液16中，使制品表面产生微弧放电而生成一层与基体结合的陶瓷层。微弧氧化技术本质特征是工作电压较高(超过阳极氧化的电压范围)，从而使反应进入到一个等离子体化学和电化学综合反应的过程。在这个过程中。当施加的电压超过临界击穿电压时，合金表面被击穿，出现大量游动的弧点，瞬间形
14、成超高温区域，导致表面薄弱部位熔化甚至气化，在表面微孔放电通道内发生复杂的等离子体化学和电化学反应，形成新的氧化物。虽然局部瞬间温度很高，但由于表面受电解液的激冷作用，温度不会超过100摄氏度，使熔融的氧化物在过冷的电解质溶液的作用下沉积在金属的表面，形成陶瓷氧化膜层。微弧氧化(MAO)是改善镁合金表面性能的有效方法，所用电解质是决定氧化膜性能的主要因素。随着环境保护越来越重要，开发环保型镁合金微弧氧化工艺成为当今热点问题。已报道使用的环保型电解质中很大一部分为多氧盐，研究较多的有硅酸盐、四硼酸盐、铝酸盐等。近年来钨酸盐已用于镁合金微弧氧化电解质1719。丁军等20在碱性硅酸钠基本溶液中，较系
15、统研究了加入不同浓度钨酸钠对氧化过程、表面形貌、硬度和耐磨性影响，结果表明钨酸钠可提高氧化膜硬度和耐磨性，但没有对氧化样品的重要性能之一耐蚀性进行评价。由于植酸环保以及具有特殊性能，作为一种全新的无毒环保型金属表面处理剂，它最早应用于铝合金的化学处理上20，后用于镁合金化学转化膜的处理剂。张荣发等21使用植酸作为镁合金微弧氧化电解质，研究了其对氧化膜性能影响，结果表明植酸可降低氧化膜表面单位面积微孔数从而提高耐蚀性。EDX分析表明，植酸参与氧化膜的形成过程。氧化膜中含有来自植酸中的磷，并且含量随溶液中植酸用量的增加而增大。另外，氧化膜的颜色受溶液中植酸用量影响并且随其增加逐渐加深。本文在含植酸
16、的碱性基本溶液中，研究了不同浓度钨酸钠对镁合金微弧氧化膜厚度、颜色、表面形貌、氧化膜重量增量和耐蚀性影响。近年来钨酸盐也已经开始用于微弧氧化电解质。钨酸盐属于钝化膜性缓蚀剂，能使金属表面形成致密牢固的钝化膜23。我国钨矿储藏量约占世界总储量的55%以上，具有提供足够钨化合物的能力，同时钨酸盐稳定性高，系统效应好，不易水解。钨酸盐由于其毒性低，对环境、人体和作物没有危害，也不引起微生物孽生，属环境友好型缓蚀剂，但其缓蚀率不太高，用量较大24。因而本文在含植酸的碱性溶液中，研究了不同。浓度钨酸钠对镁合金微弧氧化膜厚度、颜色、表面形貌、氧化膜重量增重和耐蚀性影响。修改意见:你研究是植酸钠,怎么叙述了
17、钨酸钠方面的内容.2、实验方法选择AZ91HP镁合金作为试验材料，其成分(wt%)为：Al 8.93, Zn 0.47, Mn 0.22, Si 0.03, Cu 0.002, Ni 0.001, Fe 0.001, Mg 余量。试样首先被线切割并用硅胶密封留出面积50 mm60 mm，然后经砂纸打磨、蒸馏水清洗、热风吹干后，置入干燥器中待用。实验所用基本电解液为12 g/L植酸（修改意见：是植酸钠，不是植酸），向其中分别加入0-10 g/L氢氧化钠，不同电解液组成和浓度见表1。表1 不同电解液组成Table 1 Constituents of different anodizing solu
18、tionsProcessNo.Compositions of electrolytes112 g/L sodium phytic acid+0 g/L NaOH212 g/L C6H18O24P6+2 g/L NaOH312 g/L C6H18O24P6+ 4 g/L NaOH412 g/L C6H18O24P6+6 g/L NaOH5 12 g/L C6H18O24P6 + 8 g/L NaOH6 12 g/L C6H18O24P6+10 g/L NaOH修改意见：是植酸钠不是植酸。使用MAOI-50C微弧氧化电源，具有正负脉冲输出，其工作参数为：脉冲电压80 V-800 V连续变化；平均电
19、流0-50 A连续可调；脉冲占空比5-40%；正负脉冲频率同步调节，调节范围为100 Hz-3000 Hz。五种工艺均使用单（正）脉冲氧化模式，并且电参数相同，即电流密度40 mA/cm2，该实验用的电流为1.4A,占空比20%，频率2000 Hz，氧化时间3 min。使用Sartorius电子天平（精度0.01 mg）称量试剂重量，采用DDS-307W电导率仪测量溶液电导率。模拟体液的电解液成分为：8.0 g/l NaCl, 0.4 g/l KCl, 0.14 g/l CaCL2, 0.35 g/l NaHCO3, 1.0g/l C6H12O6, 0.2g/l MgSO4.7H2O, 0.1
20、g/l KH2PO4.H2O, 0.06 g/l Na2HPO4.7H2O。氧化样品喷金后，采用德国Zeiss公司的igma扫描电子显微镜进行表面形貌观察，并用该环境扫描电子显微镜配置的EDX成分分析仪测定氧化膜成分。氧化样品耐蚀性由在模拟体液中浸泡实验来评价，实验周期为24 h。3.实验结果与讨论 3.1电导率 不同电解质的电导率见表2。表2 不同电解液的电导率Table 2 Conductivity of different anodizing solutions Electrolytes No. The electric conductivity (ms/cm)1. 12 g/L C6H
21、18O24P6+0 g/L NaOH 10280 us/m2. 12 g/L C6H18O24P6+2g/L NaOH 17510 us / m 3. 12 g/L C6H18O24P6+ 4g/L NaOH 26400 us / m4. 12 g/L C6H18O24P6+6g/L NaOH 34900 us / m5. 12 g/L C6H18O24P6 +8 g/L NaOH 43400 us / m 6. 12g/L C6H18O24P6+10g/lNaOH 51100 us / m修改意见：采用表1形式的三线表，并将 us / m换算成ms/m。从表1和图1可以看出，电导率随着NaO
22、H浓度的增加而增加，原因是C6H18O24P6 是中强酸，在溶液中只电离一小部分，所以电导率很小。NaOH的加入与植酸反应，C6H18O24P6 + 12NaOH = C6H6O24P6Na12 +12H2O ，溶液中离子有a+, OH-, C6H6O24P612+ 等，随着NaOH浓度的增加，这些离子浓度增加则电导率增加。修改意见：原因为NaOH为强电解质，尤其是Na+对电导率影响很大。 图1.电导率随NaOH浓度增加的变化Fig. 1 The variation of electrolyte conductivity with NaOH concentration3.2电压-时间曲线表3.
23、不同电解质的终电压Table 3 Different electrolytes termination of the voltageElectrolytes No. The voltage1. 12 g/L C6H18O24P6+0 g/L NaOH Oxidation2. 12 g/L C6H18O24P6+2 g/L NaOH Oxidation3. 12 g/L C6H18O24P6+4g/L NaOH 424 V4. 12 g/L C6H18O24P6+6 g/L NaOH 377V5. 12 g/L C6H18O24P6+8 g/L NaOH 354V6. 12 g/L C6H18O
24、24P6+10 g/L NaOH 316V图2. 不同电解液中的电压-时间曲线Fig 2 Variations of voltage with time in different solutionsP1为溶液3，p2为溶液4，p4为溶液5, p3为溶液6在单独的植酸钠溶液以及在12 g/l植酸钠+ 2 g/l NaOH溶液中氧化时，试样表面呈现黑色，电压上不去，试样发生腐蚀，没有成膜。当加入4 g/l的氢氧化钠后开始可以成膜，但随着氢氧化钠的浓度增加，终电压下降。3.3 试样在模拟体液中腐蚀情况不同浓度得到的氧化膜表面形貌见图。在含植酸的碱性基本溶液中，加入氢氧化钠后，氧化膜表面会有所变化，有
25、腐蚀现象，表面变得粗糙，但总的来说试样表面变化不大。修改意见：首先是氧化后（浸泡之前）试样的照片、然后是氧化膜表面形貌、EDS成分，最后是腐蚀照片。修改意见：上图重新处理一下。图3 试样在模拟体液中浸泡后的照片Fig.3. Pictures of the samples soaked in simulated fluids obtained in different solutions: (A)No.3; (B)No.4; (C)No.5; (D)No.63.4氧化膜表面形貌和成分不同氢氧化钠浓度微弧氧化试样得到的氧化膜表面形貌见图。在含植酸的碱性基本溶液中，加入氢氧化钠浓度后，氧化膜微孔直径
26、增加。 A B B A C D C图4 不同溶液的氧化膜表面形貌Fig.4. Surface morphologies of anodic coatings obtained in different solutions A B D C 图3. 在12g/l 植酸中加入不同浓度NaOH形成氧化膜的EDX Fig3 In 12g/l acid join in different forms of concentration NaOH of EDX表列出了AZ91HP镁合金在不同浓度氢氧化钠溶液中生成的氧化膜表面成分。随着溶液中氢氧化钠浓度增加，各种元素含量。表3 不同浓度的氧化膜成分（%）Tab
27、le 3 Components of anodic coatings obtained in different solutionsProcessNo.CONaMgPAl311.0150.171.2027.716.543.38412.8247.041.3129.904.614.32511.5447.151.1934.513.741.87610.3047.121.0536.773.111.65修改意见：随着NaOH浓度增加，氧化膜中磷含量下降。等。4.结论 1）、单独的植酸不能使镁合金氧化成膜。 2）、随着加入的氢氧化钠的浓度增加，终止电压下降。终止电压对合金氧化膜性能有影响。 3）、氢氧化钠的
28、浓度对镁合金的耐腐蚀性影响不大5.结束语本文经过选题、实验的设计安排、数据结果分析和论文撰写，终于定稿。在这期间，指导老师张荣发博士给予了巨大的帮助，不仅教给了我严谨的科研态度，更是启发了我认真的人生态度。跟随张荣发博士学习这几个月里，老师认真、严谨的做实验态度让人钦佩。在此谨向尊敬的老师表示衷心的感谢，多谢您一直以来对我的帮助与督促。在我以后的学习生涯中，我也会始终谨记您的教导。感谢张淑芳老师在我做实验提出的一系列宝贵意见，使得我对实验有更进一步的理解。另外，感谢一同在张博带领下一起实验的同学，在平时的做实验过程中互相帮助，协调合作。同时感谢材料科学与工程学院的领导和老师们，感谢大家一直对实
29、验的关注和支持。 参考文献1 胡庆福. 镁化合物生产与应用 M. 北京：化学工业出版社，2004. 1-6.2 黄晶晶，杨柯. 镁和镁合金的生物相容性J. 腐蚀科学与防护技术，2005,17(3):141-143.3 郭洪飞，安茂忠，徐莘，等. 电流密度对镁合金微弧氧化过程及氧化陶瓷膜性能的影响J. 稀有金属材料与工程，2005, 34(10):1554-1557.4 姚美意，周邦新，王均安. 电压对镁合金微弧氧化膜组织及耐蚀性的影响J. 材料保护，2005,38(6):7-10.5 SRINIVASAN C B, NARASIMHAN N L, ILANGO S V. Development
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