现今社会相当着重环境保护, 节约能源和减少废气(二氧化碳)排放量, 便是世界各地一致的目标。从汽车使用上, 降低油耗便能同时达到节能和减排。那如何降低油耗呢? 最基本就是减少汽车本身的重量, 数据指出减少10%重量, 便能改善油耗7% [1]。镁金属比铝轻33%,比钢更轻75%, 从轻量化角度看, 镁便是首选。
由于金属应用于汽车上有特定的物理性质要求, 所以镁会加入其他不同金属如铝、锌、稀有金属等, 使其物理性质如强度、耐热、抗蠕变等能达到要求。 于欧洲, 大众汽车的Passat和Golf型号已应用镁合金AZ91D来制造变速器壳体, 令其重量相比铝合金减少20-25% [2]。除此之外, 镁合金AM50A和AM60B也应用于仪表板支架、汽缸罩盖、方向盘骨架等 [2]。另外, 于北美的通用汽车, 其Savana和Express vans型号也使用上26公斤镁合金 [2]。于中国, 长安汽车应用镁合金于方向盘骨架、汽缸罩盖、油底壳、变速箱壳体、离合器壳体、后备胎架、轮壳和座椅骨架等 [3]。中国一汽亦应用镁合金于方向盘骨架、汽缸罩盖等 [4]。
虽然应用镁合金能达到汽车轻量化, 改变合金比例能达到物理性要求, 但其活泼金属的化学特性使其不耐腐蚀。不过, 我们也能透过表面处理方法去改善和加强其抗腐蚀能力。电镀, 是表面处理方法之一, 若把镁合金电镀上铜、镍、铬等 (如图一), 中性盐雾测试可达120小时, 若配合合适镀层, 更可达500小时 [5]。早期在这活泼的镁合金上电镀, 是非常困难的, 若能上镀, 镀层与底材(镁合金)的结合力也不好。近期, 一些镁合金表面处理添加剂推出, 大大改善镁合金上镀和结合力问题, 这能把镁合金于汽车应用推进一步。
图一: 镁合金电镀上不同镀层
现介绍一下镁合金前处理方案, 使流程能上镀和解决结合力问题。一般前处理包括除腊、除油、碱蚀、酸活化和沉锌, 沉锌后就是后继电镀, 整个流程大概如图二。前两个步骤的作用是把工件清洁好, 以免因工件不洁而影响结合力或出现上镀问题。镁合金压铸件通常会进行抛光工序, 所以第一步就是把这些抛光腊除去, 若然不把腊完全除去, 这些腊会令结合力不好或甚出现漏镀。除油的原因亦是一样。
图二: 镁合金前处理流程
清洁之后, 就是把镁合金的表面进行热碱微蚀(碱蚀), 此是用碱性添加剂将其表面轻微侵蚀后变成网状, 以增加表面面积和粗糙, 使镀层附在其表面更加牢固, 从而加强结合力。第一次和第二次热碱微蚀的分别其细致度, 第一次的碱蚀后, 用第二次碱蚀使其侵蚀得更加完整。图三展示出镁合金在热碱微蚀前和后的扫瞄电子显微镜照片。碱蚀之后, 便是酸活化步骤。镁合金是很活泼的, 在有氧气下很快便形成其氧化物, 在水或碱中亦会生成其氢氧化物, 这都不利于结合力。 所以, 这酸活化不仅能中和热碱微蚀水洗后残留的碱, 而且在除去氧化物和氢氧化物的同时, 把松散的结构也一并去除和形成一层保护膜, 确保镀层与底材有足够结合力。
图三: 镁合金热碱微蚀和酸活化后的扫瞄电子显微镜照片
酸活化后, 就是沉锌工序。由于镁合金的活泼化学特性, 使其不能直接电镀其他金属, 所以便利用锌化学置换原理, 令其在不通电情况下也能在其表面形成一层锌金属, 这就是我们说的沉锌。当沉锌后, 就可以利用电镀, 电镀出所需要的不同镀层, 达到防腐或装饰性的要求。
我们希望透过此分享, 能协助汽车生产业界达成节约能源和减排, 从而为全球环境保护事业作出贡献, 为世界作出榜样。
参考文献
[1] William J. Joost, Paul E. Krajewski, a Materialia (2017) 128 (217) 107-112.
[2] Magnesium Elektron, Automotive (https://www.magnesium-elektron.com/products-services/casting-alloys/automotive/)
[3] 汽车轻量化在线, 长安新能源汽车轻量化材料应用成果 (http://www.autolightweight.com/article-237713-1.html)
[4] 一汽铸造有限公司, 技术成果－镁合金应用技术 (http://www.faw-foundry.com.cn/jscg2.jsp?lm=jscg2)
[5] C. Blawert, N. Hort and K. U. Kainer, Trans. Indian Inst. Met. (2004), 57 (4) 397-408.
