镁合金汽车发动机上的腐蚀与防护.doc

镁合金汽车发动机上的腐蚀与防护班级 06030143 姓名 王 力 学号 3 2 摘要：阐述了现代汽车为节能、环保而开始大量采用镁合金材料; 介绍了镁合金材料的性质特点, 采用镁合金材料制造的汽车部件; 并指出镁材料在汽车工业中的应用和发展前景。对镁合金的腐蚀行为、各种因素对镁合金腐蚀性能的影响进行了综述，并指出镁合金各种表面处理技术的优缺点及其未来发展方向。关键词：轻量化合金材料发动机汽车 镁合金 表面防腐1、 前 言自人类进入21世纪以来,随着能源价格的不断上涨,以及可持续发展要求的提高,汽车燃料的经济性问题越来越引起人们的广泛关注。汽车燃料的经济性与汽车的设计、制造和使用有着密切关系，汽车材料的轻量化是改善燃料经济性的有效途径。对汽车工业来说, 节约能源、减少汽车尾气排放的最有效办法就是减轻汽车自身的质量, 而减少汽车质量的主要途径是使汽车材料轻量化。汽车质量每减少10%,燃油消耗可以降低 6% - 8%。要想减轻汽车自重, 就必须采用轻质材料。镁合金材料是自古以来实际应用中最轻的金属结构材料, 是所有现用金属材料中密度最低的轻金属材料,因而成为汽车减轻自重以提高其节能性和环保性的首选材料。另外, 镁合金材料还具有比强度和比刚度均高、导热导电性能好、阻尼减震性和电磁屏蔽性强、易加工成形、废料易回收等特点。由于镁合金材料的众多优点,其应用适应了全世界对汽车安全、节能和环保要求越来越高的趋势, 受到了各国政府和发达国家汽车制造企业的高度重视。2、 镁合金在汽车发动机上应用的原因 镁合金是最轻的金属结构材料, 其密度为1.75g/cm31.90g/ cm3，比铝合金约轻36% , 比锌合金约轻73% , 比钢约轻77%。镁合金的强度和弹性模量较低, 但它有高的比强度和比刚度, 在相同重量的构件中, 选用镁合金可使构件获得更高的刚度。镁合金有很高的阻尼容量和良好的消震性能, 它可承受较大的冲击震动负荷, 适用于制造承受冲击载荷和振动的零部件。镁合金具有优良的切削加工性和抛光性能, 在热态下易于加工成型。镁合金的熔点比铝合金低, 压铸成型性能好。镁合金铸件的抗拉强度与铝合金铸件相当,一般可达250MPa , 最高可达600 多MPa 。屈服强度、延伸率与铝合金相比也相差不大。镁合金还具有良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能, 可进行高精度机械加工。镁合金具有良好的压铸成型性能, 压铸件比厚最小可达0.5mm ,适合制造汽车各类压铸件。镁合金汽车发动机带给汽车的好处是显而易见的。一是它的质量轻, 换用镁合金能减轻整车重量,也就间接减少了燃油消耗量。二是它的比强度高于铝合金和钢, 比刚度接近铝合金和钢, 能够承受一定的负荷。三是它具有良好的铸造性和尺寸稳定性, 客易加工, 废品率低, 从而降低生产成本。四是它具有良好的阻尼系数, 减振量大于铝合金和铸铁, 用于壳体可以降低噪声, 用于座椅、轮圈可以减少振动, 提高汽车的安全性和舒适性。镁铝合金发动机之所以成功的另一个关键因素是，先进的“电子阀（Valvetronic）”系统,用可变进气阀门取代了传统的发动机油门。发动机的“呼吸”是通过不断改变电子管的升降高度以调节进气量来控制，以得到更好的动力响应和绩效改进，实现改善性能，节省燃料12% 以及减少废气排放的目标。3、 镁合金汽车发动机所处环境分析3.1、汽车外部用镁合金部件的抗腐蚀条件。汽车外部用镁合金部件主要担心的是电蚀问题, 特别是排气罩周围的部件, 因为镁合金活性极强,在设计时要考虑把电蚀降到最小, 还必须考虑部件几何形状的设计, 对紧固件的选择和采用涂层来克服电蚀问题。汽车部件的几何形状设计要考虑避免水、污物的堆积。另外, 电蚀还和金属间的互相接触有关, 镁对铁合金特别敏感,所以钢紧固件必须涂层, 但镀锌是不能接受的。合适的绝缘垫可以采用,电蚀会随着绝缘垫厚度的增加而减少, 但是涂层的划伤和孔隙会加速电蚀过程。3.2、汽车动力系用抗蠕变镁合金的分析。 目前, 在工业上使用的镁合金仅限于在室温条件下,当暴露在发动机工作温度下时, 机械性能变劣, 因此在汽车的动力系中不能使用, 某些含稀土元素的镁合金可以耐150的高温,但材料成本又太高。但是，在镁中加入铝和碱稀土元素可以产生晶界AL11E3析出, 其在温度增加时可以具有抗蠕变性能, 而在镁合金中添加铝和钙,还含有最少量的硅和银,这样新的镁合金的性能大有改进, 抗拉伸蠕变性能提高40%, 压缩蠕变性能提高25%。3.3、汽车动力系用耐热镁合金的分析。汽车发动机还长期处于高温高热环境中，所以使用铝-镁-锶合金, 该合金具有耐高温性能。合金含锶2.1%,加入锰以提高合金抗腐蚀性能,在温度提高到150时, 镁铝锶合金具有优越的机械和物理性能, 抗蠕变性能的镁合金相当于用汽车动力系A380的压铸铝合金。对于新镁合金来说, 在温度升高时, 疲劳极限的降低与最终抗拉强度成正比, 新合金的疲劳极限可以和AM60B镁压铸合金相比。这种新镁合金可以用于汽车自动变速箱外壳、曲轴箱、油泵泵体、发动机滑轮、汽缸外壳、发动机冷却风机外壳。4、镁合金汽车发动机的表面处理和设计 4.1、大气腐蚀镁在大气中腐蚀的阴极过程是氧的去极化,其耐蚀性主要取决于大气的湿度及污染程度。一般地,潮湿的环境对镁合金的腐蚀,只有当同时存在腐蚀性颗粒的附着时才发生作用。如果大气清洁,即使湿度达到100 % ,镁合金表面只有一些分散的腐蚀点。但是当大气污浊,有腐蚀性颗粒在镁合金表面构成阴极时,表面则迅速生成灰色的腐蚀产物 。大气中含有硫化物和氯化物将加速镁的腐蚀,大气中SO2 含量达100 mg/ m3 时,腐蚀速率增加,生成可溶性的硫酸盐,因此镁在工业大气和海洋大气中是不耐蚀的。在干燥的清洁空气中,由于表面膜的保护作用而基本稳定。 4.2、在各种介质中的腐蚀镁及其合金在大多数有机酸、无机酸和中性介质中均不耐腐蚀,甚至在蒸馏水中,去除了表面膜的镁合金也会因为发生腐蚀而析氢。但在铬酸中由于镁表面钝化而较为稳定。在含有Cl-及SO 42-的溶液中腐蚀速率较大,而在含有SiO 23 -、CrO42 - 、Cr2O 42- 、PO 43- 、F- 等离子的溶液中,由于可能形成保护性的表面膜而腐蚀速率较小。镁在碱中耐蚀性好,由于Mg(OH)2 沉淀膜的存在,对基体具有很好的保护作用。 4.3、电偶腐蚀与全面腐蚀 镁合金由于电极电位较绝大多数金属低,当镁及其合金与其它金属接触时,一般作为阳极发生电偶腐蚀。阴极可以是与镁直接有外部接触的异种金属,也可以是镁合金内部的第二相或杂质相。对于氢过电位较低的金属如Fe、Ni 、Cu 等,作为杂质在合金内部与镁构成腐蚀微电池,导致镁合金发生严重的电偶腐蚀。而那些具有较高氢过电位的金属,如Al 、Zn、Cd 等,对镁合金的腐蚀作用相对较小。镁合金基体与内部第二相形成的电偶腐蚀在宏观上表现为全面腐蚀。Hiroyuki 等研究了AZ91D 合金在大气条件下与异种金属的接触腐蚀行为,发现中碳钢和SUS304 不锈钢与镁接触加速其电偶腐蚀,而经阳极氧化的铝合金则降低镁合金的腐蚀效应。 4.4、应力腐蚀破裂与氢脆 Mg-Mn 合金和Mg-Zn-Zr 合金对应力腐蚀破裂(SCC) 不敏感。而Mg-Al-Zn 合金具有应力腐蚀开裂的倾向。镁的SCC 主要有穿晶型的,也有间型的。Mg-Al-Zn 合金沿晶界生成Mg17Al12沉淀,其SCC 是晶间型的,并且由于MgH2 的形成而导致氢脆。在pH 值大于10.2的碱性介质中,镁合金非常耐SCC。而在含有Cl - 的中性溶液中甚至在蒸馏水中,镁合金对SCC 极其敏感。而镁合金在氟化物和含氟的溶液中耐SCC。5、镁合金的表面防腐蚀处理镁合金由于较差的耐蚀性而限制了它的应用。解决镁合金的腐蚀防护问题，可以从控制杂质含量,制备高纯合金,发展新的耐蚀合金离子注入及激光表面改性等几方面入手。而对于大规模工业生产,采用保护膜和涂层处理,是最为简单经济的方法。 目前用于镁合金表面处理的方法大致可以分为3 类,即:化学处理、阳极氧化和金属镀层,3 者均可以与有机涂层配合使用。1、化学处理 通过化学处理可以在基体表面形成由氧化物或金属盐构成的钝化膜。这层膜与基体具有良好的结合力,阻止腐蚀介质对基体的侵蚀。 加入稀土元素也可以形成保护膜。转化膜在pH 值为8. 5 的缓冲溶液中可以显著降低镁的溶解速率。而在pH 为8. 5 的侵蚀性溶液中浸泡60 min 后,膜的保护性能变差。 镁合金在锰盐和磷酸盐组成的体系中,在对镁有缓蚀作用的添加剂存在的件下,可以形成保护性好、硬度和厚度均超过铬酸盐膜的转化膜。该转化膜在5% NaCl溶液中侵蚀后,具有自愈合能。 2、阳极氧化 镁合金的阳极氧化处理较化学处理可以大幅度提高耐蚀能力。阳极氧化膜可以作为涂装底层,以增进涂层与合金基体的结合力。SEM观察表明,氧化膜多孔且孔的形状不规则,这些孔如果不封闭,在腐蚀环境中很快扩大。因此镁合金的阳极氧化多集中在降低氧化膜的孔隙率。将镁合金置于电解质水溶液中,在高电压下,使材料表面膜微孔中产生火花放电斑点。在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下,生成陶瓷膜层。这种膜的孔隙率大大降低,较普通阳极氧化耐蚀性及耐磨性有较大提高。 3、金属镀层 镁合金经酸洗活化后,在镁基体上能够直接沉积得到化学镀镍层。但是由于镁的化学活泼性,过程中大量析氢,镀层与基体结合力差。在中间加入浸锌工艺,所得镀层与基体结合力好,亮度高。不经浸锌,在镁上直接化学镀镍的工艺 。使用氟化物为活化剂,经过化学镀镍、钝化及热处理,镀层具有良好的力学性能、耐蚀性、可焊性及对环境的稳定性,而且使器件的小孔内部也能够被镀层所覆盖,适合航天器部件的严苛要求。6、 结束语 总之, 汽车用镁及其合金已呈迅速上升趋势。大量部件需用镁及其合金来制备, 以便减轻质量、提高效率、节约能源。镁合金压铸件的应用可以为汽车制造商提供巨大的汽车减重机遇。公共汽车或轻型卡车用镁的设计和开发已经有许多成熟的应用。不久的将来, 镁合金新的应用平台将会更加广阔, 未来镁合金的研发将会给汽车减重带来更多的机遇,以提高汽车的性能和改善其可操作性。只有当现有使用温度瓶颈因素得到突破, 镁合金才有可能大量应用于各个领域。7、 参考文献1 陆刚. 铝、镁、钛合金材料在汽车工业中的应用和发展J.上海有色金属, 2006 (27) .2 孙伯勤.镁合金压铸件在汽车行业中的巨大应用潜力J.特种铸造及有色合金,1998.3.3 杨琪. 浅析汽车发动机零件的用材趋势