文献综述-热处理工艺对镁合金耐磨性能影响的研究.doc

黄河科技学院毕业论文(文献综述) 第 6 页 毕业论文文献综述 院（系）名称 工学院机械系 专业名称材料成型及控制工程 学生姓名 指导教师 2012年 3 月20日Mg合金的发展与研究现状引 言 近几年来，随着汽车工业的迅速发展，人类的生存与资源、环境之间的矛盾日益突出。因此，降低产品的自身重量以减少能源消耗和污染程度，成为至关重要的问题。Mg合金被公认为当今最有前途的汽车轻量化材料，被誉为2l世纪的“绿色”材料。Mg合金是所有金属结构材料中质量最轻的金属：是铁的14，是铝的23，与塑料相近。正是这一特性使Mg及Mg合金成为航空工业、汽车工业和电子通讯工业中首选的替代材料，以达到减重的目的。1.镁的特点与应用 镁的原子序数为12，原子量为24305，位于周期表中第3周期第2主族。镁在2012时的密度只有1738 g/cm3，是铝的23，钢的14，是常用结构材料中最轻的金属。镁的体积热容比其它金属低，在20时的体积热容为1781J(d/K)。镁的化学性质活泼，在室温下，镁的表面能与空气中的氧起作用，形成保护性的氧化镁薄膜，但由于氧化镁薄膜比较脆，而且也不像氧化铝薄膜那样致密，故其耐蚀性很差1。镁的室温塑性很差，纯镁单晶体的临界切应力只有(48-49)105 Pa，纯镁多晶体的强度和硬度也很低，因此不能直接用作结构材料。镁是地壳中含量最丰富的元素之一，其含量居第8位，次于氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾，约占地壳组成的25。中国有着丰富的镁资源，菱镁矿储量27亿吨，居世界首位，白云石更是高达70亿吨，原镁产量已连续多年占世界第一位，虽然镁的含量丰富，产量较高，但世界纯镁目前仍主要用于铝合金的合金元素等，用于镁合金压铸件的比例仅占276，镁合金的开发和应用还具有很大的发展潜力。2.镁合金 镁合金具有高的比强度和比刚度、良好的可铸性、可锻性和延展性,具有能量衰减系数大以及优良的电磁屏蔽性等特点,被誉为21 世纪理想的电子产品壳体和汽车构件的替用材料。Mg合金还有许多独特的优点，如密度低(Mg合金的密度只有180 gcm3左右)、原料丰富(海水中富含Mg元素且提取容易)。与复合材料相比，Mg合金还有突出的特点：它的机械加工性能好、抗老化、导电、导热且可回收。从Mg合金的这些突出特点可以预见它将会有很好的应用前景，未来Mg合金的用量会越来越大，应用范围越来越广。 由于Mg合金一些自身的性质特点，决定了它具有极高的化学和电化学活性，在大多数介质中都不稳定、不耐蚀。在空气中镁合金表面往往形成一层很薄的氧化膜,膜层多孔且比较脆,对基体金属没有保护作用。 Mg是所有工业合金中化学活泼性最高的金属，标准电极电为-2.34V(相对于标准氢电极)，比铁低约2V，比铝低约0.7V。它在常用介质中的电位也很低，如它在NaCl溶液中的稳定电位为-1.45V，在海水中的稳定电位为-1.5V-1.6V，是工程合金中电位最负的。Mg极易氧化，暴露于空气中表面即能自发形成一层以Mg(OH)2及其次级产物(如各种水合MgC03、MgS03等)为主的灰色薄膜2,3，这些物质是不耐蚀的。因此,耐蚀性差成为制约镁合金发挥优势的一个主要因素,必须对其表面进行防腐蚀处理。随着双阶段氧化、脉冲阳极氧化的发展和应用,阳极氧化技术日趋多样化,近年来兴起了微弧氧化技术 。微弧氧化是在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术,又称微等离子体氧化或阳极火花沉积。它是将Al ,Ti ,Mg 等金属及合金置于电解质溶液中,在热化学、等离子化学和电化学的共同作用下, 使材料表面产生火花放电生成陶瓷层。微弧氧化因可显著提高上述材料的耐蚀性、耐磨性和硬度而广泛应用于航空、航天、机械、电子、纺织、装饰等领域。AZ91D 镁合金具有均衡的力学性能、铸造性能和耐蚀性能,是用于汽车工业的重要镁合金之一4-6。作者研究了微弧氧化条件下AZ91D 镁合金表面形成的氧化膜的形貌、结构、相组成及耐蚀性。 在所有的铸造Mg合金当中，AZ91是应用最为广泛的一种，具有良好的铸造性能和高的屈服强度，可用于多种形式的机械部件，是Mg合金中应用较广的一个牌号，产量已经占到Mg合金产量90以上，其化学成分见表11。 但AZ91Mg合金有两个弱点：韧度和耐冲击值低与热强性和抗蠕变性能低。它随环境温度升高其力学性能迅速下降和它在各种介质中的耐腐蚀性能较差严重制约了它的进一步应用。AZ91Mg合金在酸性、中性和弱碱性都不耐腐蚀，在pH=ll的碱性溶液中，由于生成稳定的钝化膜是耐腐蚀的。但如果碱溶液中存在Cl- 时，Mg合金的表面钝态被破坏，也会遭致腐蚀。另外AZ91Mg合金在其晶界上会析出合金相Mgl7A112(熔点120)，也限制了其高温力学性能7。因此，加强Mg的耐蚀性研究，积极探索增强Mg合金耐蚀性的途径，对于推动Mg合金作为结构材料的应用并充分发挥其性能优势具有重要意义。 根据化学成分的不同，镁合金可分为镁一铝系合金、镁一锌系合金、镁一稀土系合金、镁一锂系合金等。镁合金虽然具有很多的优点，但因其耐高温性、耐腐蚀性差和韧性差等缺点，限制了其使用范围。为此，国内外的研究者对提高、改善镁合金的各方面性能做了很多工作。2.1耐高温性能的改善多数镁合金属于密排六方结构，只有四个独立的滑移系，塑性变形能力较差。根据VonMises准则，若多晶体材料产生塑性变形并在晶界上仍保持其完整性，则每个晶粒必须至少有五个独立的滑移系。蠕变是一个高温条件下缓慢的塑性变形过程，与常温拉伸过程相比，在微观机制上不仅滑移系增多而且还有晶界滑移。在蠕变过程中晶界滑移将提供另外两个有效的滑移系，此时满足VonMises准则，合金将发生高温蠕变。强化镁合金基体以提高镁合金高温蠕变性能的主要手段是固溶强化、析出强化和弥散强化。目前应用的所有镁合金都是析出型强化合金，开发弥散强化的耐热镁合金是扩大镁合金高温应用的潜在途径，加拿大的ITM已在实验室中开发了两种弥散强化的合金。此外，晶界处因晶格缺陷较多使原子扩散迁移速度加快，导致晶界强度降低。强化晶界的措施有：在晶界处形成大量细小析出硬化相；增大晶粒尺寸以增大原子扩散距离，但根据HallPerch效应，增大晶粒尺寸会降低合金的力学性能8；加入富集于晶粒表面和晶界位置的表面活性元素以填充晶界处的晶格空位，改善晶界附近的组织形态。已发现的表面活性元素如Ce、Ca、Sr、Bi和sb能改善镁合金的高温性能。近年来镁合金的高温性能有了显著提高。例如，Mg-Zr合金不仅在室温下的力学性能有了很大改善，而且其高温性能也得到了极大提高，过去只能耐150，现在能耐300高温。同时，Mg-Th合金ZT和ZT6在350高温中能保持高温抗蠕变性能。这种合金主要用于制造飞机发动机，作为高温铝合金和钛合金的替代材料。由于稀土元素具有独特的核外电子排布，它可在晶界生成高熔点化合物对晶粒起到钉扎作用，从而提高合金的高温强度和蠕变强度。所以通过添加稀土(一般为富铈混合稀土)元素，得到了高温强度更优良的AE系列镁合金。还有因为si在镁基合金中主要形成Mg2Si相，弥散分布在晶界周围，且Mg2Si具有较高的熔点和热稳定性，只有在400时才变得不稳定，因此在Mg-Al合金中添加一定量的si也可以便合金高温抗蠕变性能明显提高。但迄今为止，发展最为成功的高强度、耐热性好的镁基合金是Mg-Y-Nd基的WE54(Mg-5.1Y-3.3RE(Nd)-05Zr)和WFA3(Mg-40Y-33RE(Nd)-05Zr)合金。2.2抗腐蚀性能的提高由于镁合金比强度高及其它优异性能，用作结构材料有着广阔的前景，但镁合金的耐蚀性差，成为制约其发挥性能优势的主要因素之一。因此，进行适当的表面处理以增强现有镁合金的耐蚀性有着重要的现实意义。由于镁阳极氧化膜与金属基体结合力强，电绝缘性好，光学性能优良，且耐热冲击、耐磨损、耐腐蚀，故阳极氧化工艺已成为镁及镁合金最常用的一种提高耐蚀性的表面处理方法。在镁合金中添加Mn元素对提高耐腐蚀性能也十分有利，因为Mn可与合金中的Fe形成化合物作为熔渣被排除，消除Fe对镁合金耐蚀性的有害影响。因此，一般用于耐腐蚀性场合的镁铝合金中都含有一定量的Mn；但随着含Mn量的增加，组织中将出现脆性的-Mn相，降低合金的延性，因此其含量一般限制在06。工业上常用的Mg-Al合金含量小于10，由于不平衡结晶，室温状态组织为(Mg)和(Mgl7All2)。当Mg-Al合金中含Al量大于4时，由于Al量的增加导致析出更多的Mgl7All2相，它比-Mg基体更耐腐蚀9；Al与Fe反应形成化合物，降低合金中Fe的含量，减少杂质元素对耐蚀性的有害影响；而且Al在合金表面形成氧化铝保护膜，从而使得合金的耐腐蚀性能提高。可通过严格控制合金中的杂质元素含量，保持合金中一定的Fe与Mn的比以抑制Fe的有害影响，目前已开发出具有优良耐腐蚀性和良好力学性能的多种高纯度压铸镁合金。高纯的AZ91E合金在盐雾实验中的耐腐蚀性大约是AZ91C的100倍，也超过了压铸铝合金A380，比低碳钢好得多10-12。3 结束语作为一种新型的结构材料，镁合金将会获得越来越广泛的应用，而其相应的表面处理方法也将得到迅速发展。微弧氧化处理技术具有工艺简单、材料适应性宽等特点，所得膜层均匀、质硬，将是镁合金阳极氧化的一个发展方向。有机涂层可以起到长期的保护作用，但是涂层与基体的结合不太紧密，这也是制约其发展的一个重要因素，开发新型的涂层材料和涂覆工艺是提高有机涂层使用性能的良好途径。因此，加强镁合金表面处理技术的发展、深入研究保护膜形成的机理、进一步改善表面防护膜的性能以提高镁合金的耐蚀性，对推进镁合金材料的应用具有十分重要的现实意义和经济效益。参考文献1 郑来苏铸造合金及其熔炼M西安：西北工业大学出版社，19942 Frank Hollstein，Renate W iedemann，Jana ScholzCharacteristics of PVD-coatings on AZ31hp MagnesiumAlloysJ Surface and Coatings Technology， 2003，(162)：2612683 孙雅茹，吴 狄，刘 正铸镁合金AZgl表面化学氧化膜的研究J表面技术，2004，33(3)：4344册M北京：冶金工业出版社，19804 卢锦堂，宋进兵，陈锦虹，等无铬钝化的研究进展J材料保护，1999,32(3)：24265 李瑛，余刚，刘跃龙，等镁合金的表面处理及其发展趋势J表面技术，2003，32(2)：1-56 郭洪飞，安茂忠，刘荣娟镁及其合金表面化学转化处理技术J轻合金加工技术，2003，31(8)：35-38，417 周婉秋，单大勇，曾荣昌，等镁合金的腐蚀行为与表面防护方法J材料保护，2002，35(7)：138 Amy LRudd，Carmel BBreslin，Florian MansfeldT轻金属材料加工手册reearthconversion coatings applied to magnesiumJCorrosionScience，2000，(42)：275-2889 蔡启舟，王立世，魏伯康镁合金防蚀处理的研究现状及动向J特种铸造及有色合金，2003，(3)：333610 张永君，严川伟，楼翰一Mg及其合金的阳极氧化技术进展J腐蚀科学与防护技术，2001，13(4)：21421711 Robert SBuskMagnesium Pr