镁合金表面处理工艺研究

xx大学毕业设计（论文）开题报告课题名称镁合金表面处理工艺研究学院名称机械学院专业机械类班级学生姓名1、本项目的目的和意义镁及其合金是有色金属材料中最具有开发和应用发展前途的金属材料。镁是一种轻质结构材料，质量为铝的2／3，钢铁的1／4。与钢、铝、塑料等工程材料相比，镁合金具有比强度和比钢度高，电磁屏蔽性能好，无磁性；无毒、可回收；极好的切削加工性能，极高的压铸生产率，尺寸收缩小，并且具有优良脱模性能，且加工成本低，尺寸稳定性高；具有超导和储氢性能；耐印痕性；良好的低温性能和导热率高等优点；镁还具有良好的导热、导电性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性、机加工性能以及再循环利用的性能；镁弹性模量低，约45GPa，减震性能好，适合于做承受剧烈振动的零件；镁合金压铸件比重小，比刚度大，铸造性能，机械加工性能和阻尼性能好。这些特性可使其成为汽车工业、航空工业及电子工业中首选的结构材料，因此具有良好的社会效益和经济效益。虽然镁合金具有以上诸多优点，并在许多领域具有广泛的应用前景，但也存在一些限制其进一步应用的因素，主要包括以下三个方面:(1)镁及其合金晶体结构为密排六方结构，决定了镁及其合金的塑性低，物理性能和力学性能均有明显的方向性，在室温下变形只能沿晶格底面进行滑移，单一的滑移系导致其压力加工变形能力低。(2)常用的AZ,AM系列镁合金通常的使用温度为95°C~120°C，超过这一温度范围，合金的蠕变强度随着温度的增加而大幅度下降，限制了它在耐热部件、如汽车发动机部件和传动机构等零部件方面的应用。(3)限制镁合金广泛应用的最大障碍是镁合金的耐腐蚀性能较差。镁的平衡电位为一2．37V，很容易发生氧化反应。镁在海水中的稳定电位为一1．6一一1．5V。镁在空气中与氧能够形成一层很薄的氧化膜，但氧化膜疏松、多孔，PB比为O．99l[PB比即Pilling—Bed-worth原理：氧化膜具有保护性的必要条件是，氧化形成的金属氧化膜的体积(VMO)比生成这些氧化膜所消化的金属体积(VM)要大，即VMO：VM1],不能形成有效稳定的保护膜，导致镁合金的腐蚀反应可以持续发展下去。镁合金的耐蚀性差，是限制镁合金应用的主要因素。2、国内外研究进展镁合金作为一种发展迅猛的绿色环保合金材料，在世界各国对能源和环境保护日益重视的背景下，成为目前国内外重新认识并积极开发的一种新型环保材料，被认为是21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”。长期以来，由于镁的价格偏高、镁合金熔液易于氧化燃烧和镁合金材料的耐蚀性差等限制了其在民用工业的大规模应用。进入20世纪90年代后，随着镁冶炼技术的不断提高，镁及镁合金的价格迅速下降，镁合金熔液保护技术更加成熟，高纯镁合金材料耐蚀性的大幅度提高，以及人们对能源和环境保护的高度重视，镁合金成为迅速崛起的一种工程材料，用量每年以15％的速率保持快速增长，远远高于铝、铜、锌、镍和钢铁的增长速度，这在近代工程金属材料的应用中是前所未有的。目前国内外有大量的镁合金表面处理方法，一些方法已经在工业上得到小量的商业应用，但大多数方法还处于探索和改进阶段。主要分表面改性和表面涂层处理技术。2.1表面改性技术2.1.1电子束物理气相沉积（EB-PVD）电子束气相沉积是以电子束为热源的涂层工艺，通常是在真空状态下，利用具有高能量密度的电子束轰击靶材使之熔化、蒸发，并在基体上沉积形成涂层。该技术自1907年首项专利产生以来有了很大发展。在该工艺中为了使蒸发物分子到达基体前的初动能不过多损失，以保证涂层质量的均匀性，一般保持蒸发距小于自由程，即蒸发粒子在到达基体的过程中几乎不与其他粒子发生碰撞。电子束物理气相沉积应满足如下几点：第一，涂层沉积在真空状态下进行，有利于防止基体与涂层材料的污染和氧化；第二，选择较好的工艺参数，可以得到与蒸发材料的成分相同和元素含量基本一致的涂层；第三，冷却速度快、气相固化快。通过控制离子束参数和添加其他合金元素还可得到高结晶度、高强度的合金表面。2.1.2化学转化膜处理镁合金的表面会生成一层自然氧化膜，在pH值为11.5的溶液中生成的是Mg（OH）2膜，但这两种膜都起不到保护作用，这是因为所形成的氧化膜的体积与所消耗镁原子的体积比为0.79。化学转化膜能提供比自然形成的保护膜更好的保护效果，更重要的是，使表面膜从碱性转变为中性，使进一步的涂装保护变得更容易。化学转化膜处理方法常用的有2类：一类以磷酸盐作成膜剂，另一类以铬酸盐作成膜剂。目前技术较成熟的化学转化膜处理方法是铬酸盐处理，用以铬酐和重铬酸盐为主要成分的水溶液进行化学处理获得保护膜。2.1.3阳极氧化阳极氧化是利用电解作用使金属表面形成氧化膜的过程，是一种特殊的化学转化膜。这种膜不仅包含了合金元素的氧化物，而且还包含了溶液中通过热分解并沉积到镁合金工件表面的其他氧化物。阳极氧化工艺根据氧化处理液的成分分为酸性和碱性氧化液。早期的阳极氧化处理是用含铬化合物的处理液，典型的如早期DOW17、Cr22及后来的HAE工艺、脉冲阳极氧化等进行的镁阳极氧化处理。后来逐渐发展了处理液以磷酸盐、高锰酸盐、可溶性硅酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氟化物为主的无毒阳极氧化。张永君等开发了一种无铬、无磷、无氟的绿色环保型碱性电解液，通过阳极氧化～冷水漂洗～封孔～冷水漂洗～热风吹干工序，在高纯镁、压铸镁合金AZ91D和AM60B表面形成了一层外表美观的银灰色均匀光滑膜2.1.4加弧辉光等离子表面处理加弧辉光等离子表面处理技术是在双辉离子处理技术基础上通过引入冷阴极电弧源而研制出的一种新型离子渗金属技术。它发挥了辉光和弧光离子渗金属的优势，使离化率和沉积速率大大提高，可通过控制镁合金的退火温度、调整工艺参数，形成镀渗复合层。加弧辉光等离子表面处理技术的基本原理是：通过引弧电极触发引燃电弧，在阴极弧靶的表面产生高温、高压、高电流密度、小体积并可迅速运动的高密度等离子体阴极弧斑。等离子体发射出阴极斑点之后向空间扩散，大量斑点发射出的等离子体流在阴阳极间形成高能量（20-100eV）、高速度（103-105m/s）及高离化率（70%-80%）的欲镀金属离子流，在工件负偏压的作用下高速轰击工件。同时，辅助源极辉光放电产生的欲镀金属离子流也辅助轰击工件，使工件迅速加热到渗金属处理所需的温度。由于欲镀金属离子的高速轰击，工件表面产生大量的晶体缺陷，金属粒子借助于轰击和扩散过程渗入工件内部，形成均匀的扩渗金属层。2.2表面涂层处理表面涂层处理技术是研究得比较多的方法，表面涂层又主要分为有机及特殊涂层和金属涂层。有机及特殊涂层采用环氧树脂、乙烯树脂、聚氨酯以及橡胶等材料获得有机涂层防护膜。在镁合金上涂覆油、油脂、油漆、蜡和沥青也可作为短时间防护处理的一种方法。金属涂层主要是在镁合金基体表面涂覆上一层金属，主要有电镀涂层和化学镀涂层两种方法。2.2.1合金表面喷涂纳米和陶瓷涂层材料纳米表面工程技术是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，使固体材料表面纳米化；或直接在固体表面形成具有纳米结构的涂层的一种先进的系统工程，而镁合金表面喷涂纳米材料就是这样一种涂层系统。它可以是由单一纳米材料组成的涂层材料，也可以是由两种或多种纳米材料组成的复合纳米体系。从已有的研究结果看，用热喷涂技术制备纳米结构涂层，无论其结构怎样变化，与传统涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧度、抗蚀、耐磨、抗热疲劳等方面均有显著提高。利用等离子弧喷涂的方法，在镁合金表面形成陶瓷涂层可以提高表面的硬度、耐磨性及耐腐蚀性能。在镁合金表面喷涂的主要是金属陶瓷如ZrO2、CrO、AI2O3+TiO2、MgO等。2.2.2激光辅助热喷涂工艺由于镁的化学活性相当高，因此重新氧化的时间非常短，这给镁合金的处理带来了极大的困难。因此可采用激光辅助喷涂工艺。激光辅助热喷涂工艺是把待喷镁合金基体的表面清理和热喷涂结合为单一的工序，不再需要传统的脱脂、除氧化层和活化工序。激光辅助热喷涂工艺潜在的用途非常大，从气轮机叶片到电机零件，从印刷业、纺织业和造纸业到航空业和能源部门等许许多多的领域，都可充分发挥激光辅助热喷涂工艺的优越性。但是该种方法仍然有一些不完善的地方和缺点，如采用激光辅助热喷涂工艺对涂层和基体间的相互作用及产生高结合强度的机理尚未完全澄清；激光辅助热喷涂工艺的激光熔化等设备成本高，维护困难；激光辅助热喷涂工艺处理的零部件几何外形受到严格的限制，因此在规模化和工业推广化方面存在一些障碍。2.2.3表面电镀镁合金表面电镀是合金表面在液相中沉积出具有相当防腐能力和导电性能的光亮合金层，这层均匀的合金膜提高了镁合金表面的硬度、耐擦伤性、耐蚀和耐磨性。电镀基本流程如下：清洗～浸蚀～活化～浸锌～氰化镀铜～电镀。此外，还有将一种或数种不溶性的固体颗粒、纤维均匀地杂在电镀液中，而后在电场作用下共同沉积到合金表面从而形成一种特殊镀层的工艺。以超硬材料如金刚石作为分散颗粒就可以形成金刚石复合镀层，以纳米材料添加于金属镀液中就可以形成纳米复合镀层，同样也可以形成纳米金刚石复合镀层。电镀是镁合金表面处理的一种较好方法，因其工艺设备简单，流程简易可行，可以在工业上规模推广。2.2.4直接化学镀镍化学镀主要是利用合适的还原剂使溶液中的金属离子有选择地在经催化剂活化的表面上还原析出成金属镀层的一种化学处理方法。由于镁合金的化学活性相当高，表面处理非常困难。针对这种情况，发明了一种新的前处理方法，直接在镁合金表面化学镀镍，得到的镀层均匀、结合力良好，处理流程如下：清洗～除油～碱蚀～酸活化～碱活化～碱性化学预镀镍～酸性化学镀镍。该方法的缺点是采用酸性化学镀镍溶液，一旦底层存在孔隙，会导致基体镁的点腐蚀。同其它表面处理方法相比，镁合金化学镀投资相对较少，获得的镀层功能多样性可以满足各方面的需要。缺点是化学镀及前处理过程经常采用铬的化合物、氰化物以及含氟化合物，引起的环境问题促使我们开发绿色环保工艺以适应新时代的需要。化学镀获得的镀层均匀，但镀液使用寿命较短、废液较多，且操作条件比较苛刻，须严格控制。20世纪70年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，1993～1994年欧洲汽车制造商提出“3L汽油轿车的新概念。1996年德国教育部投资2400万马克，由阿伦工业大学、慕尼黑工业大学、杜易斯堡大学、多特蒙德大学以及大众汽车公司等44家单位展开了针对汽车轻量化、代号为“MADICA的联合攻关项目。日本通过了“家电回收法以限制工程塑料的使用，率先将镁合金用于制造笔记本电脑、移动电话、摄像机、数码相机，并正在计划将其推广到电视、投影仪、音响等电子和通讯器材上。美国制定了PNGV(新一代交通工具伙伴)的合作计划，其目标是生产出消费者可承受的每100km耗油3L的汽车，且整车至少80％以上的零件可以回收这些要求迫使汽车制造商采用新材料、新工艺和新技术，生产质量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10％，其燃油效率可提高5．5％。如果每辆汽车能使用70kg镁合金，C02的年排放量就能够减少30％以上。镁合金作为实际应用中最轻的金属材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到了人们的重视。世界各大汽车公司已经将镁合金制造汽车零件作为总要发展方向。在欧美国家中，各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为汽车技术领先的标志。大众，奥迪和菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。在未来的七八年中，欧洲汽车制造业使用镁合金将占镁消耗总量的14％，预计今后将以10％-20％的速度递增，2005年将达到20万吨。美国、欧洲、日本等发达国家投入大量人力和物力，实施多项大型联合研究发展计划，研究用镁合金制造汽车零部件，这将极大促进镁合金在汽车上的应用。目前镁合金压铸汽车零部件至少已超过60种。例如，已经使用并在近期推广的零部件有赛车轮毂、仪表盘、座椅骨架、变速箱壳体、转向系统、气缸罩盖、进气歧管、大的车体外部件、支撑住、发动机箱体。其中，安装安全气囊的汽车都开始改用镁合金转向盘骨架，这即可减轻重量，又可降低振动，在发生意外撞击时，镁合金可吸收更