凯发国际 鎂合金表面處理研究的進展

[摘要]論述了鎂合金表面處理,包括化學表面轉化處理、機械表面硬化處理、強束流表面改性3方面的研究現狀,著重敘述了鉻化、磷化處理、陽極氧化、微弧氧化等表面處理工藝。同時,還論述了機械表面硬化處理的表面噴丸強化和滾壓強化。強束流表面改性代表現代先進表面改性技術,包括離子束、激光束、電子束表面改性,國外研究較多,而國 內研究相對較少,應該引起足夠的重視。
鎂合金是結構材料中最輕的金屬,密度約為鋁合金的2/3,鋼鐵的1/4,用它來制造、代替現役的一些構件或零件,可使整個結構的重量大大減輕。由于我國能源緊張和環境要求,汽車輕型化,用鎂合金代替其中的鋁合金甚至鋼鐵件,將成為鎂產業發展的主要拉動力[1～4]。此外,鎂合金還具備很多其他優點:電磁屏蔽性能較好;吸震性能好,有利于減震和降噪;回收性好,符合環保要求;極好的切削加工性能;尺寸穩定性高;鑄造性能好;良好的低溫性能,用于制作低溫下工作的零件;具有超導性和儲氫性等,因而其應用范圍可進一步擴大到電子、通訊及醫療等領域[5～9]。因此,鎂合金引起了材料界的極大關注,世界范圍內正掀起研究鎂合金的高潮。
未來,鎂合金材料的研究及應用開發主要要解決以下問題:熔煉和加工過程中極易氧化燃燒,生產難度很大;耐蝕性很差;現有工業的高溫強度、蠕變性能較低,高溫(150～350℃)場合的應用受到限制;常溫力學性能,特別是強度和塑韌性的提高[10～12]。
其中,如何解決鎂合金的腐蝕問題和提高它的表面性能是決定其應用前景的關鍵問題,同時也是推廣應用的關鍵技術之一。上述問題通過化學表面處理、機械表面處理和強束流表面改性等方法
可以得到解決。
1化學表面處理
1.1化學轉化
鎂合金化學轉化處理主要有鉻化處理和磷化處理兩種[13,14],其優點是操作簡單、設備便宜。前者是將鎂合金零部件放入以鉻酸鹽和重鉻酸鹽為主要成分的水溶液中進行表面清洗通過形成Mg(OH)2和Cr的化合物對表面產生一定程度的鈍化。
由于鉻化處理中的Cr6+對人體有害、環境污染嚴重,正被逐漸取代。磷化處理可形成與基體結合牢固,微孔、吸附性好、耐蝕性優的薄層(4～6μm),盡管層很薄,不能單獨作為鎂合金的保護層,但可作為加工工序間的短期防銹或涂漆前的底層。鉻化和磷化配方見表。



表鎂合金表面鉻化、磷化處理配方許越等[15,16]研究了鎂合金表面稀土轉化膜技術,采用浸漬法,將金屬浸入到含有稀土鹽的溶液中浸泡一定時間后取出,工藝操作簡單。將稀土轉化膜置于3.5%NaCl溶液中測試,發現其防腐蝕性能呈現先增強后減弱的趨勢,稀土轉化膜具有雙層結構:內層緊靠基體處結構較為致密,外層呈多孔狀。雖然水分子進入膜層,MgO轉變為Mg(OH)2使膜層空隙率降低,但這種防護作用有限,隨時間延長,外膜層變薄,內膜層提供保護,由于內膜層與基體結合不牢固,因而隨Cl-侵入而發生點蝕。因此,稀土轉化膜只能對鎂材提供短時間的腐蝕防護,作為一項發展中的技術,與其他技術結合效果會更好一些。
1.2陽極氧化及等離子微弧陽極氧化
美國Avco和Allison公司采用HAE陽極氧化處理,在鎂合金表面得到10～30μm的膜層[17,18],噴漆后鹽霧試驗可達500h。
陽極氧化和化學氧化相比,耐蝕性和硬度稍高,但脆性大,材料疲勞強度降低,成本高。
微弧陽極氧化:零件在電解質水溶液中,置于陽極,利用電化學方法使鋁、鎂、鈦、鉭等材料的表面微孔中產生火花或微弧放電,在金屬表面生成陶瓷膜層。這是一種表面改性處理技術,所形成的膜層具有耐蝕性能高、耐磨性能好、絕緣、裝飾美觀及與基體結合良好等特點。
蔣百靈等[19]認為,鎂合金(MB8)微弧氧化陶瓷層顯微缺陷、相組成及其耐蝕性關系是:微弧氧化初期,陶瓷層致密,幾乎觀察不到顯微缺陷,隨陶瓷層增厚,出現空洞類缺陷;陶瓷層主要由MgO,MgSiO3,MgAl2O4和非晶相組成,隨著厚度增加,陶瓷層中MgO的比例不斷增加,而非晶相含量逐漸減少。因此,鎂合金經微弧氧化后的顯微組織,雖然有很厚的氧化陶瓷層,但存在著大量的空洞,需要進一步改進。
A.V.Apelfeld[20]等用Rutherford和原子背散射光譜研究了鎂合金表面的微弧氧化陶瓷層,提出了微弧氧化層組織的一個模型,鎂合金放在5%NaCl中72h(35℃),原始表面和經鉻化處理的表面90%都被破壞,而微弧氧化處理的表面則基本沒有點蝕(<1%)。
AHC公司推出的MAGOXID-COAT方法,可在鎂基體上形成一層氧化陶瓷層,厚15～25μm。與其他膜層相比,它具有很好的耐磨性、耐蝕性、滑動性、均勻性、粘附力、熱性能及電振動性,已應用于汽車、航空、電氣與電子工業。
2機械表面處理
導致材料表面形變強化的機械表面處理工藝技術有以下幾種:噴丸強化、滾壓強化、內孔擠壓強化、振動沖擊強化等。用于鎂合金的表面形變強化主要是噴丸強化和滾壓強化。因為鎂是密排六方結構,滑移比較少,塑性變形通過滑移和孿生來實現,馮忠信等[21,22]做了ZM1Mg合金的表面滾壓強化研究,發現缺口疲勞極限提高200%以上,指出了表層高的殘余應力是提高缺口疲勞極限和大幅度降低疲勞缺口敏感度的主導因素。
I.Altenberger和B.Scholtes[23]研究了機械表面處理(噴丸硬化)優化后熱處理對疲勞行為的影響,發現通過控制熱處理溫度和處理時間能夠提高鎂合金AZ31疲勞強度,這與傳統的觀點相反,因為熱處理后會引起應力釋放和位錯密度降低,對疲勞強度有不良影響。他們認為,由間隙和沉淀引起的應力時效影響提高了微觀硬度和屈服強度,這方面的作用大于前者,從而提高了材料的疲勞壽命。
3強束流改性技術
強束流主要指激光束、電子束、離子束。利用強束流對鎂合金進行表面改性的研究還比較少。激光束、電子束都是利用高能量束流直接作用于靶材表面,利用產生的熱效應,使材料表面和次表面層瞬間經受急熱和急冷,從而達到材料表面改性的目的。離子注入是利用一束高能離子轟擊靶材,注入的離子最終停留在金屬晶格的轉換或間隙位置,形成置換固溶體或間隙固溶體。離子注入提供了一種制造單相固溶表面合金而不受平衡相圖成分約束的方法。
激光束可以用來改變合金表面性能,使表面合金晶粒細化,從而提高合金耐蝕性。用激光重熔AZ91D和AM60B,雖然它們的微觀組織細化了,但用5%NaCl腐蝕,其抗腐蝕性能并沒有明顯提高,相反有一些增強因素[24]。組織變化為表面重熔層Al和Mn富集,Zn濃度降低,沒有Fe,Ni和Cu的變化,并且激光重熔層Mg17Al12增多,這可能是由熔融過程中Mg的蒸發而引起的。因此,作者認為,用激光束進行鎂合金表面改性,必須與表面熔敷、表面合金化結合起來,如果能控制利用激光的快速冷卻,在表面得到一層非晶層,對提高鎂合金的抗電化學腐蝕將是非常有利的。
電子束表面改性[25～27是近30年發展起來的技術,主要包括表面硬化、表面合金化、表面熔敷等。電子束的能量效率極高,不像激光束那樣需要激光氣體及輔助氣體,因此其表面處理成本比激光要低得多,加熱功率范圍比激光束大,改性機理主要是利用電子束轟擊產生的熱效應以及由此引發的材料微觀組織結構和應力狀態變化,最終達到改變材料表面性能的目的。

現在,電子束主要用于鋼和鋁合金表面處理,尚未見到鎂合金電子束表面改性的報道。利用電子束提高材料表面耐磨性,已經用于鋼件表面淬火及鋁合金耐磨性方面,如日本五十鈴6B系列發動機的挺桿。法國報道了擋環式離合器滾子滑道的電子束處理方法,用電子束處理的滑道表面硬度超過HRC58,從而改善了其耐磨性[28]。隨著鎂合金研究的深入,鎂合金的電子束表面改性必將更受重視,作者目前正做這方面的工作,并初步取到一些成果。
離子束輔助沉積技術(IBAD)是近年來國內外發展很快的一種表面技術,集氣相沉積和離子注入優點于一體,在氣相沉積的同時用一定能量的離子轟擊被沉積物質,使沉積膜的原子與基體原子互相混合,在界面上溶為一體,做到無界面過渡,從而大大改善膜與基體間的結合強度,為改善薄膜的微觀結構和性能提供了一種有效的手段,使膜層的耐蝕性和耐磨性都有很大的提高。
F.Stippich等[29]以15keV能量的氬離子轟擊純鎂和AZ91鎂合金表面,蒸發出高純度MgO并沉積在基體表面,膜層達1μm,其表面層具有附著性好、光滑、孔隙少和耐蝕性好等優點。J.Brǜckner等[30]通過MPIIID(金屬等離子體淹沒離子注入和沉積)方法使Cr沉積在Mg上,并確定了最佳工藝參數。改性層是由中間的富MgO相、兩邊的富Cr相組成的三層結構,腐蝕試驗結果表明,經改性之后,鎂電極電位從-1520mV正移到-900mV。本文由 吊鉤式拋丸機 整理
4結束語
鎂合金的優勢已經引起了世界各國研究與開發的興趣。通過表面改性來改善其服役性能是一個重要的手段,將會成為鎂合金研究的重要方向之一,但這方面的工作,還遠遠做得不夠,可供實際借鑒的研究更是屈指可數,能代表現代先進表面加工技術的強束流改性技術在鎂合金表面方面的研究很少。我國鎂資源豐富,是生產大國,但在鎂合金研究開發方面與先進國家相比還有很大差距,應該引起足夠的重視。