铸造Mg-8.5Al-1Zn合金微弧氧化-有机涂层工艺的研究 毕业论文 .doc
铸造Mg-8.5Al-1Zn合金微弧氧化-有机涂层工艺的研究
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共41页)
编号：6085514
类型：共享资源
大小：11.63MB
格式：RAR
上传时间：2017-11-12
上传人：闰***
认证信息
个人认证
冯**（实名认证）
河南
IP属地：河南
20
积分
- 关 键 词：
-
铸造
锻造
mg
al
zn
合金
氧化
有机
涂层
工艺
研究
钻研
- 资源描述：
-
铸造Mg-8.5Al-1Zn合金微弧氧化-有机涂层工艺的研究,铸造,锻造,mg,al,zn,合金,氧化,有机,涂层,工艺,研究,钻研
- 内容简介：
-
中期报告题目：铸造 Mg-8.5Al-1Zn 合金微弧氧化-有机涂层工艺的研究1.设计（论文）进展状况1.1 实验材料前期根据所查阅文献对 Mg-Al 合金成分进行初步的分析和了解，确定本课题使用的基体材料是在 AZ91 合金基础上改进及设计出的铸造 Mg-8.5Al-1Zn 合金。其化学成分如表 1 所示。表 1 AZ91 镁铝合金的成分(wt%)Mg Al Zn Mn Ce Ti余量 8.7 1 0.13 1 0.1镁 铝 合 金 的 成 分 主 要 依 据 微 量 元 素 及 稀 土 元 素 对 浇 注 试 样 性 能 的 影 响 而 设 计 的 ，本课题实验所需的材料的选取情况如下：实验所用到的 Mg 为工业纯镁(99.9%) ；实验所用到的 Zn 为纯度 99.9%的锌锭实验所用到的 Al 为纯度 99.9%的铝锭；Mn 为含锰量为 10wt%的铝一锰中间合金，Ti 为含钛量为 4wt%的铝-钛中间合金；实验所用到稀土元素为 30wt% 的 Mg-30Ce 合金。1.2 设 备 及 覆 盖 剂 的 选 定1.2.1 覆 盖 剂 的 选 择覆 盖 剂 是 用 于 熔 炼 镁 铝 合 金 时 均 匀 撒 在 液 态 镁 铝 合 金 表 面 ， 防 止 高 温 熔 炼 时 镁铝 合 金 的 自 燃 ， 为 了 使 用 方 便 并 且 达 到 其 该 有 的 效 果 ， 一 般 使 用 前 都 会 在 300下保温两小时。其成分及含量如表 2 所示。表 2 覆盖剂的成分及含量(wt.%)MgCl2 KCl BaCl2 CaF228 26 31 15选 择 如 表 的 覆 盖 剂 对 镁 铝 合 金 燃 烧 的 控 制 起 到 了 很 好 的 实 际 效 果 ， 最 大 程 度 的减 少 了 合 金 中 各 成 分 的 烧 损 。1.2.2 设备的选择实验的熔炼设备为中频感应炉和恒温干燥箱，该设备升温快温度变化均匀，可降低人工调节的误差。熔炼所用的坩埚选用石墨坩埚。1.3 合金的熔炼步骤1)将坩埚放入中频感应炉中，将感应炉电压调至 400V，将少许覆盖剂均匀地撒在坩埚的底部，然后把预热好的镁块放入坩埚内，然后再将少许覆盖剂均匀地撒在镁块， 盖上石棉保温。2)将感应炉电压调至 480V，保证镁锭迅速的充分熔化后，而覆盖剂已在镁液表面形成白色保护膜，如有熔渣还需要用扒渣勺取出，然后陆续加入剩余镁锭，待所有镁锭溶解后，将感应炉电压调至 430V（720左右）把预热好的铝锰中间合金，铝块，锌块，铝钛中间合金，放进坩埚内。用搅拌杆搅拌金属液，以加快铝块，锌块，铝锰中间合金的熔化速度，并使在金属液中的成分分布均匀。在此过程中如有金属液的燃烧需撒少许覆盖剂，以阻止燃烧。3)当感应炉温度再次升值 720，保温 15 分钟左右，待加入的金属材料充分熔化后，如有熔渣用扒渣勺将其取出，然后加入配好的稀土合金搅拌。如有金属液的燃烧需撒少许覆盖剂。4)待金属全部熔化后，将炉子电压调至 400V，用搅拌棒上下震动约五分钟，使合金元素均匀分布。5)调整炉温至 760，扒渣后，将精炼剂加入合金液中，保温 3 分钟左右，并反复精炼几次，至熔体表面呈镜面状。6)将炉温调至 720，静置 20 分钟以利于金属液中的杂质的沉淀。7)浇铸。将炉温调至 700，用坩埚钳夹持从炉中取出坩埚锅。将合金液浇铸进预热 250左右的金属模具中，待金属液完全凝固后取出铸件。1.4 热处理将试样在 413下进行 24 小时的固溶处理，空冷，吹干，然后在 205分别进行0,4,10,16,24,32 小时的时效处理，最后空冷。 （固溶处理在箱式电阻炉内进行，时效处理在高温干燥箱内进行） 。1.5 试样的制备试样预处理。为了得到标准的微弧氧化试样，将镁锭进行切割时一般采用线切割，其标准尺寸为 1cm2cm3cm。标准试样打磨时由 240#、800#和 1200#砂纸逐一进行打磨直至试样表面光亮，不存在明显的划痕，且表面上没有明显的铸造缺陷。除油过程分为水洗、除油、蒸馏水洗三个过程。试样经过预处理后的得到的金相组织如下图所示。1.6 微弧氧化实验本实验微弧氧化过程所用的微弧氧化电源输入电压为 220V，输出为04008001000V 连续可调的直流电压，电源的输出通过电压表和电流表监测，电压表量程 01000V，电流表量程为 010A。氧化处理采用两电极体系，工作电极为待处理的镁合金试样(面积 1cm2，阳极)，辅助电极为不锈钢片 (面积 10cm2，阴极)，冷却槽可以保持电解液温度相对稳定，并通过搅拌提高溶液中电解质的均匀性。将浇注所得实验试样进行机械加工得到微弧氧化所需的标准尺寸。进入微弧氧化阶段，其工艺流程如图 1 所示。微弧氧化前与微弧氧化后试样对比如图 2 所示。 (a) (b)图 2 (a)微弧氧化后的试样 (b)微弧氧化前的试样通过 9 组实验（表 3.）来分析电解液、电流密度、时间对微弧氧化的影响。通过对 9 组实验数据的分析，得出镁铝合金的微弧氧化的最优工艺。 表 3 微弧氧化的正交实验因子及水平试样号 电解液浓度 g/L 电流密度 A/cm 时间/min1 40 1 352 40 1.5 453 40 2 604 45 1 455 45 1.5 606 45 2 357 60 1 608 60 1.5 359 60 2 452.存在问题及解决措施1)实验过程中涉及到微弧氧化所需电压电流以及电镀液各成分的含量的影响。电解液配方不同，氧化现象如火花放电时火花形成和移动的速度、保持连续火花的电位以及形成固定火花的趋势不同，电压、电流行为不同，所得膜层的颜色、质地（如微孔尺寸和粗糙度） 、厚度、化学组成以及电化学性质等也不同，因此电解液成分的选择至关重要。2)对应于不同的电解液，电参数的设置也不相同，电参数的合理配合是微弧氧化顺利进行的前提，对于制备高性能的膜层来说也是至关重要。微弧氧化过程中可选的电参数很多，一般包括电压、电压的极性、电流密度、电流频率等的设置。试验中发现由于电镀液化学盐系的不一样，继而影响到表面氧化膜厚度不同表面致密度也不一样，另外在选择不同盐系的电镀液时对环境污染程度也不一样，酸性电镀液虽然更简洁更方便但是对环境产生严重的影响，碱性电镀液虽然成膜较困难但最终形成的氧化膜是环保型。由于微弧氧化实验过程中的电压电流影响对成膜性能有严重的影响，因此也是本实验的重点和难点。3.后期工作安排(1)有机涂层一般是镁铝合金表面处理的最后一步，用做提高镁合金的耐蚀性，耐磨性。本课题预选择了5种有机涂料，分别为丙烯酸树脂、环氧树脂粉末涂料、有机硅树脂、陶瓷有机硅和氟碳树脂涂料，选取5种做实验之后进行比较，主要比较的的是膜层厚度、光泽度、附着力、硬度、耐冲击性以及盐雾实验，综合分析之后选择最佳的有机涂层作为镁合金防护涂装材料。根据有机涂料的技术特性和固化要求,有机涂层的涂装工艺见表4所示：表4 涂层涂装工艺代号 涂层名称 涂装工艺1 丙烯酸 试样预热(40-60，5-10min)喷涂烘干(140-160 ，15min)2 环氧树脂 试样静电喷涂烧结(180-200 ，10min)3 有机硅 试样预热(40-60，5-10min)空气喷涂烘干(270-290，5min)4 陶瓷有机硅试样预热(40-60，5-10min)喷底漆(20m)预烤(90，20min) 喷面层(30m)烘干(250-260 ，30min)5 氟碳树脂 试样喷底层(20m)面层(20m)封闭层(20m )烘干(120，50min)(2)研究方法镁铝合金的表面性能包括表面形貌、膜层硬度、腐蚀、有机涂层厚度、涂层附着强度、涂层的腐蚀以及腐蚀结果的等级评定、表面覆盖层的孔隙率。1) 扫描电镜将经过不同实验条件下所得的试样分别用扫描电镜观察膜层的表面形貌。 2) 膜层硬度测试运用显微硬度计测量膜层厚度。3) 3.5%NaCl 水溶液浸泡腐蚀试验 及腐蚀后试样表面形貌分析用电子天平测量镀层质量随时间的变化，通过失重测试法计算材料的腐蚀失重率，用电化学工作站在质量分数 3.5%的 NaCl 溶液中进行极化曲线的测试，分析不同镀层电极电位及电流密度的变化，用增重法估算镀层的平均厚度。4) 有机涂层厚度测定扫描电子显微镜法，切取一块试样，将试样观察面磨光、抛光、浸蚀，在扫描电子显微镜下测量覆盖层的厚度。5) 有机涂层附着强度检验定性检验方法，运用划线法进行检测，在覆盖层上相距 2mm 划两条平行线，保持足够压力，能够一次刻线即可穿过覆盖层切到基体，如在各线之间的任一部分的覆盖从基体上剥落，则认为覆盖层不能通过。6)涂层的腐蚀以及腐蚀结果的等级评定在中性盐雾试验中进行，清洗试样表面之后置于盐雾箱内，检验样面朝上并与垂直线呈一定角度，按照预定周期进行盐雾试验。保护评定等级（R p） ，其表达式为 Rp=3（2lgA） ，A 为被腐蚀的基体金属面积占总面积的百分数。7)表面覆盖层的孔隙率测定运用化学法测定孔隙率，选用浸渍试验，在温度为 25的环境下，将试样置于质量分数 3%的 NaCl 溶液中(3)处理数据和撰写毕业论文。指导教师签字：年 月 日开题报告题目：铸造 Mg-8.5Al-1Zn 合金微弧氧 化-有机涂层工艺的研究2013 年 11 月 23 日1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1 题目背景及研究意义镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一,主要来自海水、天然盐湖水、白云岩、菱镁矿、水镁石和橄榄石等 1。纯镁的力学性能很差，但镁合金因体积质量小、比强度高、切削加工性能好、电磁屏蔽性能优良、具有良好的减振及导电、导热性能而备受关注。镁合金在航天航空、汽车材料、光学仪器、电子电信、军工工业等方面的应用十分广阔。然而镁的化学稳定性低，使得镁合金非常容易被腐蚀，在某种程度上成为制约镁合金发挥其结构性能优势的一个重要因素 2。因此，镁及镁合金表面的腐蚀与防护就成为镁合金应用中首先要解决的问题。微弧氧化-有机涂层表面复合处理为提高镁合金防腐性能提供了一个经济、有效的方法。微弧氧化技术又称为微弧等离子体阳极氧化或阳极火花沉淀，是近几年来发展起来的表面强化技术，它突破了传统阳极氧化的工作电压的限制，是在传统的阳极氧化的基础上，进一步提高电压，将工作区域引入到高压放电区，利用微弧区瞬间的高温烧结作用直接在镁合金表面上原位生成陶瓷层的过程。与普通的阳极氧化膜相比，它具有质地坚硬、分布均匀、孔隙率低等优点。因此，在许多领域得到广泛应用。有机涂层 3,4是用环氧树脂、聚氨酸、油漆、油脂等，采用一定工艺，在镁及镁合金基体形成一定厚度的涂层，该涂层厚度往往不超过 1m，从而隔绝环境中水、氧气、金属、电荷等与基体直接接触，防止形成腐蚀电路，起到屏蔽作用和耐腐蚀作用。本试验以 Mg8.5Al1Zn 合金为研究材料，制定微弧氧化-有机涂层复合表面处理方法结合的工艺方案，探讨该处理工艺对镁铝合金材料耐蚀性能影响规律。1.2 微弧氧化国内外研究现状Zozulin5采用 X 射线衍射 (XRD)和扫描电镜(SEM)等方法,研究表明,镁铝合金阳极火花沉积膜具有较高耐蚀性,并且使镁铝合金的耐磨、绝缘等性能都得到提高,是一种很有前途的镁合铝金表面处理技术。蒋百灵等 6采用对比试验对镁合金与铝合金的腐蚀行为进行研究，在表面处理工艺的对比中微弧氧化处理效果较佳。刘亚萍等 7在蒋百灵等已优化的工艺基础上加入了 Al203 粉末对 AZ91D 镁铝合金进行了微弧氧化处理得到一层孔洞减少，且疏松层变得紧实的陶瓷膜，耐蚀性也有很大提高。Chang linrong 等 8通过新型交变方波电源在碱性硼酸盐溶液中，在 AZ91D 镁铝合金表面进行微弧氧化处理得出了氧化膜的微观结构与表面形貌与电参数有关系，随着电压和占空比的升高，氧化膜的孔隙和裂缝逐渐增多。康志新等 9通过微弧氧化与有机镀膜工艺的复合处理方法在镁铝合金表面实现改性，得到超疏水复合膜层，微弧氧化处理镁铝合金表面得到的微弧氧化膜表面具有亲水的微纳米孔状微观结构，具有超亲水特性，微弧氧化膜经过有机镀膜后，具有超疏水特性，并且经过两种方法综合处理后其耐蚀性能显著提高。由于微弧氧化得到的膜层具有很好的耐磨性、耐腐蚀性、耐热性以及装饰性，在航空航天、机械、汽车、纺织、化工、医疗及海洋等领域都有广泛的用途。但是，由于微弧氧化的高耗能的工艺特点制约了其在生产实践中的广泛应用。从世界范围来看，国外的研究水平高于国内，在微弧氧化的机理、生长过程以及参数控制、微弧氧化膜的结构、性能、应用等方面作了大量研究。就国内而言，我国从 90 年代开始关注这项技术，在引进吸收俄罗斯技术的基础上，也开始研究耐磨、装饰性涂层，并走向试用阶段，铝铝合金微弧氧化各方面都趋于成熟，但镁铝合金微弧氧化特别是其应用目前仍处于起步阶段。1.3 有机涂层国内外研究现状镁合金在经过各种化学处理后，为了进一步提高防腐蚀以及装饰性的要求，往往会在膜层表面涂覆有机膜层。镁合金经过阳极氧化处理或者化学转化处理后，提高了镁合金的耐蚀性。但是阳极氧化处理的氧化膜层有裂纹和孔隙存在，所以作为有机涂层底层使用，可以增强有机涂层的附着力。常用的有机涂层包括环氧树脂类、丙烯酸类及聚氨酯类涂料。查吉利等 10通过研究镁铝合金经过喷砂处理、打磨处理、无铬化学转化处理和微弧氧化处理 4 种方法处理的表面涂覆有机涂层后的耐蚀性能，结果表明，采用适当的前处理能明显提高有机涂层的耐蚀性能，其中微弧氧化膜层经有机涂层处理后耐蚀性最好，表面光滑，但是其他方法膜层上的微孔和粗糙基体表面的有机涂层则会发生点蚀。澳大利亚的 Hilustre Coatings Pty Ltd 开发的镁铝合金表面环氧树脂涂层工艺 11。用静电喷涂法把环氧树脂粉末涂于镁铝合金工件表面，在 150175范围内进行固化，形成有效的保护层。宋仁国等 12,13在 AM50 镁铝合金基体表面通过浸镀法制备聚四氟乙烯和全氟-3，6-二环氧 -4-甲基-7- 癸烯 -硫酸的共聚物(Nafion) /二甲基亚砜(DM-SO)有机涂层、Nafion/聚吡咯与 Nafion/DMSO 有机涂层，Nafion/DMSO 有机涂层厚度与浸镀次数成线性增加关系，Nafion/ 聚吡咯有机涂层在这一点上恰好相反成线性递减关系，此三类有机涂层都能显著提高镁铝合金耐蚀性。张微等 14通过硅烷处理和胶粘涂层相结合的技术在 AZ31 镁铝合金的表面得到了环氧防腐涂层，经过硅烷处理镁铝合金后，显著提高了有机涂层与基体之间的结合力以及膜层的耐蚀性。有机涂层能够有效提高镁铝合金耐蚀性、耐磨性以及装饰性能。通过对镁铝合金进行适当的前处理，可以确保有机涂层具有良好的结合力。镁铝合金表面防护涂层工艺很多，但是能在恶劣环境条件下提供保护的单层膜层较少，目前国内外还未能研发成功一种能用于镁铝合金基体的抗恶劣环境单层膜层，很多情况下都采取多层膜层，所以能够研究出一种可以抵抗极端条件下的单层膜层是今后科研工作者需要攻坚的一大课题 15。2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1 本课题研究的主要内容本课题将研究电解液浓度对微弧氧化的影响，选用浓度不同的硅酸钠（Na 2SiO3）对镁铝合金基体进行微弧氧化处理，即 10 g/L、30g/L、50g/L、70 g/L、90 g/L。微弧氧化结束后，再对镁铝合金基体进行有机涂层表面处理工艺，采用扫描电镜测试其膜层微观形貌、结构组织及元素组成，XRD 分析其膜层物相组成，并对膜层进行硬度分析、接触角测量、电化学极化曲线与阻抗分析，以及 NaCl 水溶液腐蚀试验及腐蚀后试样表面形貌分析；2.2 拟采用的研究方案、研究方法或措施2.2.1 研究方案(1)合金表面处理工艺的选择。本课题选择微弧氧化有机涂层复合表面处理工艺对镁铝合金进行处理；(2)将镁铝合金基体经过表面处理后，采用扫描电镜测试其膜层微观形貌、结构组织及元素组成，XRD 分析其膜层物相组成，并对膜层进行硬度分析、接触角测量、电化学极化曲线与阻抗分析，以及 NaCl 水溶液腐蚀试验及腐蚀后试样表面形貌分析；2.2.2 研究方法本课题通过对微弧氧化后的基体材料进行有机涂层处理，以获得性能优异的复合膜层。预脱脂、脱脂试样喷砂微弧氧化、烘干图 1 微弧氧化处理工艺流程微弧氧化工艺流程主要包括：研磨微弧氧化前处理去离子水洗微弧氧化吹干；将试样材料经过 400， 800，1000，1200 砂纸依次打磨；用去离子水清洗，然后在超声波清洗器中清洗，再用丙酮清洗试样，用吹风机吹干备用；采用微弧氧化电源制备过渡层，控制电压为 380400V，脉冲频率为 400Hz，占空比为 5；采用硅酸钠（Na 2SiO3）进行微弧氧化处理，电解溶液浓度在 10 g/L100 g/L的范围内变化，即 10 g/L、30g/L、50g/L、70 g/L、90 g/L；微弧氧化时间设定为 30min，对于硅酸盐电解溶液，微弧氧化时温度均控制在 2040。将微弧氧化处理后的试样进行有机涂层处理，其工艺流程为：试样静电喷涂烧结(180-200 ，10min) ；将工件加热 200220，浸入树脂溶液，除去溶液后滴干，空气干燥以蒸表面形貌、成分、相组成检验发溶剂；再在 200 220烘烤，以使树脂固化，可重复一到两次以达到涂层的厚度，通常是 2.5m，一般要涂多次才能获取优良的耐蚀性能。2.2.3 研究措施（1）将经过表面处理的镁铝合金用扫描电镜观察膜层的表面形貌；（2）利用能谱分析仪分析膜层表面及相关元素的分布情况；（3）测量膜厚时，在每个试样表面取五个点进行测量，以 3 个平行试样的膜厚平均值作为膜层的最终厚度；（4）利用 X 射线衍射仪对膜层进行物相分析；（5）硬度分析、接触角测量、膜层电化学极化曲线与阻抗分析；（6）耐蚀性能分析。3.5% NaCl 水溶液浸泡腐蚀试验及腐蚀后试样表面形貌分析。3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作3.1 研究重点本课题将重点研究电解液浓度对微弧氧化的影响，选用浓度不同的硅酸钠（Na 2SiO3）对镁铝合金基体进行微弧氧化有机涂层复合表面处理，从而确定了硅酸 钠电解液的最佳浓度范围。3.2 研究难点对镁铝合金表面处理工艺的设计。3.3 前期已经开展的工作已经查阅了相当数量的资料，对各种表面处理防腐蚀机理有一定的了解，对国内外的表面处理防腐蚀的发展前景有一定的认识，为此课题的研究与开展做好了准备。4完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）2013 学年第 15 周-第 17 周：查阅资料，了解课题，拟定开题报告；2013 学年第 18 周：开题报告；2014 学年第 1 周-第 5 周：制备试样；2014 学年第 6 周-第 7 周：中期汇报检查；2014 学年第 7 周-第 10 周：完成后续任务，分析实验结果并得出结论；2014 学年第 11 周-第 15 周：撰写毕业设计论文，毕业设计答辩。 参考文献1 陈振华,严红革,陈吉华,等.镁合金的开发与应用M. 北京 :化学工业出版社,2007.2 慕伟意,奚正平.镁合金的应用及其表面处理研究进展J.表面技术,2011,40(2):86 -90. 3 缪克在,楼白杨.镁合金/ 环氧聚氨酯涂层体系的耐腐蚀性能J.材料保护,2009,42(4):1-4.4 Voytko JE.Organic Fining&PretreatmentJ.Plating&Surface Finishing,2008,8:54-56.5ZozulinAJ,BertakDE.Anodized coating formagnesium alloysJ.Metal Finishing,2008,92(3):39.6 蒋百灵,袁芳.镁铝合金间的连接腐蚀行为及不同表面处理的保护效果研究 J指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日 中国表面工程,2005,18(5):39-427 刘亚萍,段良辉 ,马淑仙,等 .Al2O3 粉末对镁合金微弧氧化陶瓷膜的显微结构及其耐蚀性的影响J. 中国腐蚀与防护学报,2007,27(4):202-2058Chang Linrong，Cao Fahe，Cai JingshunInfluence Of electric parameterson MAO of AZ91D magnesium alloy using alternative square-wave powersourceJ Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21:307-3169 康志新,赖晓明,王芬,等.Mg-Mn-Ce 镁合金表面超疏水复合膜层的制备及耐腐蚀性能 J中国有色金属学报,2011,21(2):283-28910 查吉利,龙思远,宋东福 ,等.镁合金预处理对其表面有机涂层耐蚀性的影响J. 材料保护,2010,43(7):63-6511 郭洪飞,安茂忠.镁及镁合金电镀与化学镀J. 电镀与环保 ,2007,24(2):1-512 宋仁国,何望昭.AM50 镁合金表面 Nafion/DMSO 有机涂层耐蚀性能的研究C.第六届全国表面工程学术会议论文集.湖北:中国机械工程学会表面工程分会,2009:14413 宋仁国,郑晓华,杨芳儿,等.镁表面 Nafion/聚吡咯与 Nafion/二甲基亚砜有机涂层耐蚀性能的研究J.材料保护 ,2011,40(1):1-214 张璇,邵忠财.镁合金微弧氧化电解液组成对膜性能的影响 J. 电镀与精饰, 2011, 33(4):18-21.15 陶军,龙思远,曾聪,等. AZ91D 镁合金有机复合涂层的腐蚀防护性能 J. 材料保护, 2012, 45(2): 5-7. 题目：铸造 Mg-8.5Al-1Zn合金微弧氧化-有机涂层工艺的研究年 月 日铸造 Mg-8.5Al-1Zn 合金微弧氧化-有机涂层工艺的研究摘 要近年来镁铝合金的应用越来越广泛，为了使其使用性能更优，使用寿命更长，镁铝合金的表面处理技术已成为现阶段人们研究的重点，也具有十分重要的意义。本实验借助扫描电镜(SEM)及能谱分析( EDS)、金相显微镜、电化学测试仪、X 射线衍射仪等设备对微弧氧化的试样进行性能测试与分析。当使用硅酸钠的电解液在碱性环境下进行微弧氧化实验时，采用正交实验方法讨论电解液浓度不同、氧化时间不同和电流密度不同时分别对氧化膜的厚度及表面形貌有所影响。实验结束后得出最优参数组合为以 40g/L 硅酸钠为微弧氧化电解液，电流密度为 1.5A/cm2，微弧氧化时间为 45min。微弧氧化实验后，对试样进行有机涂层处理，分别用有机硅、陶瓷有机硅和丙烯酸进行涂层，分析膜层厚度和复合层的腐蚀，最终得出有机硅为最优工艺。关键词：镁铝合金；微弧氧化；有机涂层；耐腐蚀性；表面处理ITechnology Research on Micro-arc Oxidation and Organic Coating of Mg-8.5Al-1ZnAbstractIn recent years, the application of magnesium alloy is more and more widely, in order to make the use of performance better and life longer, magnesium alloy surface treatment technology has become a focus of research at this stage, also has great significance.Micro-arc oxidation technology has become the focus of national attention. The experiment by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive analysis (EDS), optical microscopy, electrochemical tester, X-ray diffraction equipment for micro-arc oxidation of the sample for performance testing and analysis.When using Na2SiO3 in an alkaline environment for micro-arc oxidation experiments.In the micro-arc oxidation process, using orthogonal experimental methods discussed electrolyte concentration is different in different oxidation time and current density are not simultaneously have an effect on the thickness and surface morphology of the oxide film.After the experiment,the optimal combination of parameters obtainer with 40g/L Na2SiO3, a current density of 1.5A/cm2,micro-arc oxidation time was 45min.Micro-arc oxidation experiments, the organic coating on the specimen, respectively coated with silicone, ceramic silicone and acrylic, analyze composite layer film thickness and corrosion, and ultimately get the optimal process.Key Words: Magnesium alloy; Micro-arc oxidation; Organic coating; Corrosionresistance; Surface treatmentII目 录1 绪论 .11.1 有关镁铝合金的简述 .11.1.1 镁铝合金的特点 .11.1.2 镁铝合金在各方面的应用 .11.2 传统镁铝合金表面处理技术 .21.2.1 化学氧化处理 .21.2.2 阳极氧化处理 .31.2.3 金属液电镀处理 .31.2.4 有机物涂层处理 .31.2.5 离子注入、气相沉积 .41.2.6 激光处理 .41.3 微弧氧化技术 .51.3.1 微弧氧化技术机理 .51.3.2 微弧氧化的工艺特点 .61.3.3 微弧氧化膜层特点 .61.3.4 微弧氧化技术的研究现状 .71.4 有机涂层技术 .71.4.1 有机涂层技术机理 .71.4.2 有机涂层工艺特点 .81.4.3 有机涂层膜层特点 .81.4.4 有机涂层技术的研究现状 .81.5 本课题研究目的及意义 .91.6 本课题研究的主要内容 .102 实验方案 .112.1 实验材料 .112.2 实验过程 .112.2.1 熔炼及铸造 .11III2.2.2 试样预处理 .132.2.3 微弧氧化过程 .132.2.4 有机涂层过程 .152.3 检测手段 .162.3.1 金相组织分析 .162.3.2 扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS) .162.3.3 腐蚀试验分析 .162.3.4 有机涂层厚度测定 .162.3.5 表面覆盖层的孔隙率测定 .162.3.6 氧化膜层相结构与成分测试 .162.4 实验过程的注意事项 .163 结果与结论 .183.1 微弧氧化实验结果与分析 .183.1.1 XRD 物相分析 .183.1.2 表面形貌分析 .183.1.3 孔隙率的分析 .213.1.4 表面膜层厚度测定 .213.1.5 微弧氧化时间对膜层表面形貌的影响及分析 .213.1.6 电流密度对膜层表面形貌的影响及分析 .233.1.7 电解液浓度对微弧氧化膜层厚度的影响 .243.1.8 氧化膜层的相组成与相结构分析 .243.2 有机涂层实验结果与分析 .253.2.1 硬度分析 .253.2.2 光泽度分析 .253.2.3 XRD 物相分析 .263.2.4 有机层能谱图 .263.2.5 复合层截面分析 .273.2.5 复合层的极化曲线 .284 结论 .30参考文献 .3101 绪论1.1 有关镁铝合金的简述1.1.1 镁铝合金的特点镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一,主要来自海水、天然盐湖水、白云岩、菱镁矿、水镁石和橄榄石等 1。镁铝合金的密度小于 2g/cm3，约为铝合金的 2/3，钢铁的 1/4，是结构材料中最轻的金属，用它来制造的一些构件或零件，可使整个结构的重量大大减轻。镁铝合金还具有许多优异的性能，其比强度(铸造镁铝合金)高于铝合金和钢，略低于比强度最高的纤维增强塑料；比刚度(锻造镁铝合金)与铝合金和钢相当，远高于纤维增强塑料；机加工性能优良，易加工且加工成本低；导电性、导热性能优良，尺寸稳定性高；减震性、电磁屏蔽性远优于铝合金；良好的低温性能，超导性和储氢性能；而且在镁合金压铸件报废后，还可以直接回收再利用、对环境的污染小 2。此外，镁在地球上的储量相当丰富，除地壳表层金属矿的含量为 2.3%外，在盐湖及海洋中的含也十分可观。由于结构性能优异、储量丰富，在许多领域，尤其是在那些减轻重量具有重大意义的领域，镁铝合金是工程塑料、铝合金和钢材强有力的竞争者或替代品。镁作为“21 世纪绿色工程金属 ”，已经广泛的应用于汽车制造、航空航天、电子通讯工业、军事以及核能等工业部门，满足视听器材、计算机和通讯设备的革新以及运载工具、手工工具“轻量化” 和其他特殊的技术要求。1.1.2 镁铝合金在各方面的应用镁是汽车“轻量化 ”最具吸引力的结构材料之一 3。近几年，轿车上镁铸件的应用以每年 20%的速度增长 4。在汽车上应用镁合金具有 17%20%的减重潜力，而每减轻 100kg 的重量，燃料消耗就可以降低 5%，这对于节约能源、降低排放、实现可持续发展具有重要的意义 5。镁在航空航天工业和军事工业上的应用，包括飞行器机身及其发动机、起落轮，火箭、导弹及其发射架，卫星和探测器，旋转罗盘，电磁套罩，雷达和电子装置以及地面控制等的设计和制造，如 MD600 直升机的主传动系统使用镁合金后，水平旋翼系统的功能得到有效提高 6。太空飞船和卫星部件使用镁合金后能适应太空运行的特殊环境，诸如由空气动力学加热引起的温度极限、臭氧侵蚀、短波电磁辐射、高能粒子如电子和质子以及小陨石等的冲击等等。电子工业是当今发展最为迅速的行业，数字化技术的发展导致各类数字化1电子产品的不断涌现，电子元器件越来越趋于高度集成化和小型化，便携式电脑数码摄录象机、数码照相机、手机等日新月异，而镁合金正是这些电子产品的最佳壳体材料，它重量轻、导热性好、电磁屏蔽性能好，尤其是阻尼性能好。目前，日本中西公司采用 AZ91D 镁合金压铸的便携式电脑外壳已经大量向索尼公司供货，产品供不应求 7。镁在核能工业中受到重视，是由于其吸收中子的可能性小、不与铀烧结以及在可能的最高运行温度下耐 CO2侵蚀的能力强等，因此可用于核反应堆外壳密封装置以及其他辅助部件的制造。在日常消费品市场，镁因其轻便也常被用于链锯、篱剪、体育用品、电动工具及其他手工工具的制造 8。因此，镁合金引起了材料界的极大关注，世界范围内正掀起研究镁合金的高潮。为了改善镁合金的性能，进一步扩大镁合金的应用领域，各种表面处理技术被提出来应用在镁合金的处理上，以满足不同环境的需要。在这些表面处理技术中，有化学氧化、阳极氧化等比较传统的方法，也有近年来新兴的处理技术，表面离子注入、激光表面处理、微弧氧化等。1.2 传统镁铝合金表面处理技术传统的镁及其合金的表面处理方法，主要包括：化学氧化、阳极氧化、金属涂镀、有机物涂敷等比较成熟的处理方法。这些传统的表面处理方法都具有各自的优点，能够适用于特定的环境条件，其中以阳极氧化应用最为广泛。自二十世纪二十年代起，世界各国投入大量人力、物力对阳极氧化进行研究、开发和应用，各种不同类型的表面处理氧化技术相继问世。目前，阳极氧化已经成为镁、铝制品生产中的一个重要环节。但是随着人类生产、生活和科技活动的进步，人们对材料的要求不断提高，目前仍被广泛应用的各种阳极氧化技术以及其它传统的表面处理技术已经不能满足生产和科研中的一些特殊要求。这里对现阶段广泛使用的一些表面处理技术做一下简要的介绍。1.2.1 化学氧化处理镁及其合金的化学氧化是在其表面形成化学转化膜，主要按日本工业标准(JISH86511978)和美国化学品 Dow 公司的镁合金铬化转化剂规定的处理方法进行处理 9。这种化学转化膜的防蚀效果优于自然氧化膜，被广泛的用做涂漆的底层，主要对于装运和储存时起保护作用。化学氧化的主要特点是设备投资少、实验过程简单并且对实验过程所涉及的要求不是很严格，但是由于六价铬离子的存在对环境存在较大的污染，而且所形成的转化膜的耐磨性、耐蚀性不太好，它只能减缓腐蚀速度，并不能有效2防止腐蚀。现在的研究主要集中在开发新型化学转化膜上，如无铬型化学转化膜、稀土化学转化膜 10。1.2.2 阳极氧化处理在一定的电压电流作用下进行阳极氧化处理所得到的膜层较化学转化膜厚，而且与基体结合紧密，可以作为中等腐蚀气氛中的保护层。阳极氧化膜具有多孔的特点，但这些小孔不穿透膜层，可以通过吸附油和蜡，使孔隙封闭。多孔膜一般可作为涂层的理想底层，尚需要封闭处理。多孔膜一般可作为涂层的理想底层，尚需要封闭处理。阳极氧化技术的生产工艺要比化学氧化处理复杂，但是阳极氧化能够适应形状复杂的工件处理，而且一次成膜面积大，成为镁合金工业化中常用的方法。镁铝合金阳极氧化技术研究主要集中在氧化液的改进与开发，膜的组成、结构及其耐蚀性上。镁合金阳极氧化膜的耐蚀性、耐磨性和硬度比一般化学转化膜高，但该方法也受某些因素的限制，例如对复杂制件难以得到均匀的膜层且膜层的脆性大。1.2.3 金属液电镀处理单一化学镀镍层有时不足以很好地保护镁合金。有研究通过将化学镀 Ni 层与碱性电镀 Zn-Ni 镀层组合，约 35m 厚的镀层经钝化后可承受 8001000h 的中性盐雾腐蚀。也有人采用化学镀镍作为底层，再用直流电镀镍能得到微晶镍镀层，平均结晶颗粒大小为 40nm，因晶粒的细化而使镀层孔隙率大大降低，结构更致密。电镀或化学镀是同时获得优越耐蚀性和电学、电磁学和装饰性能的表面处理方法。缺点是前处理中的 Cr6+、F -及镀液对环境污染严重；镀层中多数含有重金属元素，增加了回收的难度与成本。由于镁基体的特性，对结合力还需要改善。研究表明：熔盐成分、电流密度、熔体温度等典型工艺参数对镀层的形貌、成分和组织均具有重要的影响，进而影响了镀层的防腐性能。电镀铝锰合金后的镁合金，腐蚀电位提高很大，腐蚀电流密度大幅下降；同时铝锰合金镀层具有了很高的硬度，明显的提高了镁合金的耐蚀耐磨性能。1.2.4 有机物涂层处理镁合金可采用环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯以及橡胶等材料获得有机涂层，以起到提高防腐性能、耐磨性、装饰性作用。兰伟等 11在进行磷酸盐化学转化膜的研究中，在磷化后的镁合金表面进行了环氧及涂丙烯酸涂装；宋东福等 12研究了丙烯酸、环氧树脂、有机硅、陶瓷有机硅和氟碳树脂等 5 种有机涂层在镁合金压铸件上的附着力、铅笔硬度、光泽度以及耐盐雾性能的影响，并3对各涂层工艺进行了经济成本核算和技术经济评价。结果表明：不同的有机涂层具有不同的技术经济特性。环氧树脂涂层在腐蚀防护上具有显著的技术经济优势；陶瓷有机硅涂层和氟碳树脂涂层在硬度、光泽度方面性能突出，但耐蚀性一般且成本高，技术经济特性一般；有机硅涂层各项性能适中，且成本低廉，经济性能较好；丙烯酸树脂涂层成本低廉，但耐蚀性能差，制约了涂层的应用，缺乏技术经济优势。1.2.5 离子注入、气相沉积离子注入是在高真空状态下，在数十至数百千伏电压的静电场作用下，经加速的高能离子(Al、Cr、Cu 等)以高速冲击要处理的表面而注入样品的内部。 X. B. Tian 13等认为，耐蚀性能的提高是自然氧化物的致密化、注入离子的辐射和形成镁的氮化物的结果。所得改性层的性能与所注入离子的量和改性层的厚度有关，而基体表面的 MgO 对改性层的耐蚀性能的提高也有一定的促进作用。气相沉积即蒸发沉积涂层，类似于镁的蒸馏提纯。E. Angelini 14等在总结前人工作的基础上，研究了镁合金上等离子体加强化学气相沉积有机硅薄膜（主要成分为 SiOx）工艺，发现适当的前处理对改善涂膜的结合力和降低缺陷很重要。通过比较 H2、O 2和 CF4的等离子前处理，发现(CF 4+O2)或 H2条件下的等离子前处理效果较佳，其中 H2条件下的等离子前处理稳定性最好。而用含 5%六甲基二硅胺烷的六甲基二硅胺烷氧作混合处理剂，得到了具有最好耐蚀效果的有机硅薄膜。1.2.6 激光处理激光处理主要有激光表面热处理和激光表面合金化两种技术。激光表面热处理又称为激光退火，它是一种表面快速凝固处理方式。G. Abbas 等 15利用 1.5 kW 的激光作为热源，使镁合金表面产生 1 mm 厚度的均匀重叠 50%的熔融带，通过使固体高温熔融并迅速重新凝固来改善基体表层的微观结构，以提高镁合金基体表面层的硬度和耐磨性能。S. Ignat 等 16采用功率为 3kW 的等辐波钕钇铝石榴石激光作辐照源，适量加入 Al 粉，利用它的熔覆作用在高纯镁合金上制得了单层和多层合金化层，激光处理后由于 Al3Mg2和 Al12Mg17等金属间化合物的形成，单层合金化层硬度能达到约 200 HV0.05。刘红宾等 17采用宽带激光在 AZ91HP 镁合金表面制备了 CuZrAl 合金熔覆涂层，涂层中形成的多种金属间化合物的增强作用，使合金涂层具有高的硬度、弹性模量、耐磨性和耐蚀性。镁合金在激光处理时易发生氧化、蒸发和产生汽化、气孔以及热应力等问题，所以有必要设计正确的处理工艺。4J.Dutta Majumdar 等 18进行了 SiC 粉末在镁合金表面激光合金化的研究。激光光斑直径为 4mm。处理过程中,送粉率为 20 mg/s，熔道搭接率为 25%。镁合金激光表面处理技术因其独特的优势，在众多的镁合金表面处理技术中脱颖而出，成为理想的镁合金表面处理技术。目前镁合金激光表面处理技术仍处于发展阶段，其研究应着重于开发新的表面合金化及表面熔覆材料、改善激光质量、优化工艺过程等方面，同时应研究镁合金激光表面处理技术与其他表面处理技术的复合，拓展其应用范围。1.3 微弧氧化技术 微弧氧化技术又称微等离子体氧化或阳极火花沉积，是近年来兴起的一种表面处理新技术。它采用较高的能量密度，将阳极氧化工作区从法拉第区引入到高压放电区，通过电化学、热化学及等离子体化学等的共同作用，在Al、Mg 、Ti、Nd 等有色金属表面原位形成陶瓷质氧化膜。对于传统常用的阳极氧化法与微弧氧化法，两种工艺对比如表 1.1。表 1.1 阳极氧化与微弧氧化性质对比氧化类型 微弧氧化 阳极氧化电压、电流 高压、强流 低压、电流密度小工艺流程 去油水洗微弧氧化蒸馏水洗封存碱洗酸洗机械清理阳极氧化封孔溶液性质 碱性溶液 酸性溶液工作温度 小于 45 低温处理效率 高(1030min/50m) 低(12h/50m)氧化类型 化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化化学氧化电化学氧化两种表面处理工艺对比能明显发现微弧氧化是阳极氧化技术的发展，微弧氧化在阳极区产生微弧放电，火化存在时间为 12s ，火化放电使阳极金属表面局部温度升高，微区温度一般高于 1000，从而使阳极氧化物熔覆在金属表面，形成陶瓷质的阳极氧化膜，大大提高了阳极氧化膜的硬度、致密性和耐蚀性 19。其实质仍是较高电压下的阳极氧化，但其成膜过程涉及电化学、热化学及等离子体化学等的共同作用，成膜机理更趋复杂，处理工艺要求更趋于严格。51.3.1 微弧氧化技术机理Al、Mg、Ti 等金属样品放入电解液中，通电后金属表面首先会生成一种绝缘氧化膜。当施加的电压超过某一临界值时，绝缘膜的薄弱部分被击穿，发生微弧放电现象。自 1932 年 Betz20,21等首次观察到电击穿现象以来，许多研究者对电击穿产生的原因提出过各种各样的假设和模型。微弧氧化电击穿过程涉及很多物理(如结晶、熔融、高温相变、电泳等)、化学(如高温化学、等离子体化学)、电化学过程，机理复杂 2224。70 年代初，Vijh 和 Yahalom25,26认为火花放电的同时伴随着剧烈的析氧，伴随产生的电子被注射到氧化膜/电解液界面上引起膜的击穿，产生等离子体放电；1977 年，S.Ikonopisov 27首次用定量的理论模型揭示了微弧氧化的机理，同时引进了陶瓷层击穿电压 VB；1984 年，Albella 提出了放电的高能电子束源于进入陶瓷层中的电解质的观点；同年，Krysmann 28提出了火花沉积过程模型，该模型认为微弧氧化放出大量的热，使形成的氧化物熔融、烧结而形成了具有陶瓷结构的膜层；由于微弧氧化陶瓷膜的形成过程非常复杂，研究难度比常规氧化过程要大得多，这些模型能够解释一部分实验现象，但又具有很大的局限性，至今仍没有一个合理的模型全面描述陶瓷膜的形成，理论研究有待进一步深入开展。1.3.2 微弧氧化的工艺特点微弧氧化从传统的阳极氧化发展而来，其装置包括专用高压电源、氧化槽、冷却系统和搅拌系统。氧化液大多采用碱性溶液，对环境污染小。溶液温度以室温为宜，温度变化范围较宽。溶液温度对微弧氧化的影响比阳极氧化小得多，因为微弧氧化烧结温度达几千度，远高于槽温，而阳极氧化要求温度较低，特别是硬质阳极氧化对溶液温度限制更为严格。微弧氧化处理工件的能力强，可以适合于形状复杂的各种工件，部分内表面也可以处理。对材料的适应性宽，能够在 Al、Mg、Ti、Zr、Ta 、Nb 等金属及合金表面生长陶瓷层。采用微弧氧化技术之所以能在形状复杂及空心部件上形成均匀氧化膜，是由于阳极表面附近类阴极的形成，使极化变得均匀的结果。由于该工艺主要靠物理化学作用形成氧化膜，所以成膜速度比传统工艺要快几倍，并且还可以有效地增加膜层的厚度。此外，微弧氧化工艺流程比阳极氧化简单得多，无须经过酸洗、碱洗等前处理工作，除油后可直接进行氧化处理。1.3.3 微弧氧化膜层特点微弧氧化膜层是利用电压直接将金属外表面烧结成陶瓷层，不从外部引入陶瓷物料，使其制备的膜层既有陶瓷层的高耐磨损性及耐腐蚀性能，又保持了6阳极氧化膜与基体的强结合力。研究发现，微弧氧化陶瓷膜具有两层结构，即疏松层和致密层。外层为表面疏松层，该层由很硬的孔隙较大的物质组成，表面疏松且粗糙，易打磨掉。内层为致密层，结构致密，孔隙小，每个孔的直径约为几个微米，硬度高且耐磨。氧化层与基体的交界处存在过渡区，交界处呈犬牙交错状，氧化层与基体相互渗透，这一点决定了微弧氧化陶瓷膜的高结合强度。微弧氧化技术具有很多优点，如工艺简单、不引入有毒物，符合当今环保工艺发展的要求，处理零件能力强，特别是对异型零件、孔洞、焊缝的可加工能力强于其它表面陶瓷化工艺，得到膜层性能优异。1.3.4 微弧氧化技术的研究现状目前，在世界范围内，各种电源模式同时并存，各研究单位也各具特色，总体上国外研究水平高于国内。但无论国外还是国内，都没有进入大规模的工业应用阶段。俄罗斯在研究规模和水平上处于世界领先地位，俄罗斯国立奔萨大学、俄罗斯国立技术大学、俄罗斯科学院西伯利亚分院及莫斯科石油天然气大学等研究机构已取得了很多成果，在机理上提出了自己完整的理论，并且已经开始在航空发动机、汽车发动机、纺织机械上进行应用。我国从 90 年代开始关注此技术，仍处于起步阶段，在引进吸收俄罗斯技术的基础上，现在也开始由耐磨、装饰性涂层的形式走向实用阶段。国内研究此项技术的单位主要有，北京师范大学低能核物理研究所、北京有色金属研究总院、北京航空材料研究院、湖南大学等。其中，以北京师范大学低能核物理研究所在这方面的工作较为系统，他们主要对铝合金微弧氧化的制备过程、工艺条件、膜层的形貌结构进行了研究。微弧氧化的机理研究经历了一个从简单到复杂，从定性到定量，从考察单一因素到综合因素的过程。鉴于微弧氧化膜的形成过程是一个包含化学和电化学过程以及光、电、热等作用的复杂行为，研究难度比常规氧化过程要大的多，这些假设和模型能够解释一部分实验现象，但又具有很大的局限性。到目前为止，尚无一种理论模型能定量圆满地解释所有的实验现象和全面描述微弧氧化膜的形成。1.4 有机涂层技术有机涂层是用环氧树脂、聚氨酸、油漆、油脂等，采用一定工艺，在镁及镁合金基体形成一定厚度的涂层，该涂层厚度往往不超过 1m，从而隔绝环境中水、氧气、金属、电荷等与基体直接接触，防止形成腐蚀电路，起到屏蔽作用和耐腐蚀作用。常用的有机涂层包括环氧树脂类、丙烯酸类及聚氨酯类涂料。71.4.1 有机涂层技术机理有机涂层能够有效提高镁铝合金耐蚀性、耐磨性以及装饰性能。通过对镁铝合金进行适当的前处理，可以确保有机涂层具有良好的结合力。镁铝合金表面防护涂层工艺很多，但是能在恶劣环境条件下提供保护的单层膜层较少。根据有机涂料的技术特性和固化要求,有机涂层的涂装工艺见表 1.2 所示。表 1.2 涂层涂装工艺代号 涂层名称 涂装工艺1 丙烯酸 试样预热(40-60，5-10min)喷涂烘干(140-160 ， 15min)2 环氧树脂 试样静电喷涂烧结(180-200 ，10min)3 有机硅 试样预热(40-60，5-10min)空气喷涂烘干(270-290，5min)4 陶瓷有机硅试样预热(40-60，5-10min)喷底漆(20m) 预烤(90，20min) 喷面层(30m)烘干(250-260，30min)5 氟碳树脂 试样喷底层(20m)面层(20m)封闭层(20m)烘干(120，50min)1.4.2 有机涂层工艺特点有机涂层能够有效提高镁合金耐蚀性、耐磨性以及装饰性能。通过对镁合金进行适当的前处理，可以确保有机涂层具有良好的结合力。镁合金表面防护涂层工艺很多，但是能在恶劣环境条件下提供保护的单层膜层较少，目前国内外还未能研发成功一种能用于镁合金基体的抗恶劣环境单层膜层，很多情况下都采取多层膜层，所以能够研究出一种可以抵抗极端条件下的单层膜层是今后科研工作者们需要攻坚的一大课题。1.4.3 有机涂层膜层特点镁合金在经过各种化学处理后，为了进一步提高防腐蚀以及装饰性的要求，往往会在膜层表面涂覆有机膜层。镁合金经过阳极氧化处理或者化学转化处理后，提高了镁合金的耐蚀性。但是阳极氧化处理的氧化膜层有裂纹和孔隙存在，所以作为有机涂层底层使用，可以增强有机涂层的附着力。1.4.4 有机涂层技术的研究现状大多数镁合金在表面处理后，都要涂覆一层有机膜进一步提高其耐蚀性。8常用的有机涂层包括环氧树脂类、丙烯酸类及聚氨酯类涂料。查吉利等 29通过研究镁合金经过喷砂处理、打磨处理、无铬化学转化处理和微弧氧化处理 4 种方法处理的表面涂覆有机涂层后的耐蚀性能，结果表明，采用适当的前处理能明显提高有机涂层的耐蚀性能，其中微弧氧化膜层经有机涂层处理后耐蚀性最好。澳大利亚的 Hilustre Coatings Pty Ltd 开发了镁铝合金表面环氧树脂的涂层工艺 30，用静电喷涂法把环氧树脂粉末涂于镁合金工件表面，在 150175范围内进行固化，形成有效的保护层。刘元刚等 31提出了一种镁合金/ 微弧氧化 / 有机涂层的镁合金防护体系。 他们在以硅酸钠为主的复合溶液中制备微弧氧化膜，然后利用盐雾试验比较了镁合金微弧氧化/ 环氧底漆 / 聚氨酯丙烯酸 、镁合金 / 微弧氧化 / 有机硅和镁合金 / 微弧氧化 /溶胶凝胶三种面漆试样的耐蚀性，并利用盐雾试验与交流阻抗谱相跟踪对比分析了镁合金/ 有机涂层、镁合金 / 铬酸盐转化 / 有机涂层和镁合金 / 微弧氧化 / 有机涂层各自的屏蔽性能。结果表明：采用微弧氧化搭配有机涂层的方法均大大提高了镁合金的耐蚀性，且其介质屏蔽性能优于镁合金 / 有机涂层和镁合金/ 铬酸盐转化膜 / 有机涂层体系。宋东福 32在微弧氧化后的 AZ91 镁合金表面喷涂了纳米陶瓷涂料，经测试，涂层与底材附着力良好，3.5wt%中性盐雾测试时间在 1000h 以上，耐蚀性能极其出色。而且由于纳米陶瓷颗粒的增强作用，这种涂层的硬度很高，很适合应用在需要较强耐蚀性和抗划伤能力的镁合金产品上。尚伟等 33采用微弧氧化处理和溶胶凝胶法在 AZ91D 镁合金试样上制备了微弧氧化膜 / 溶胶凝胶涂层，并用扫描电子显微镜、荧光分析、电化学阻抗谱和 3.5wt%中性盐雾实验测试评估该涂层体系的耐腐蚀性能。结果表明，溶胶凝胶层很好的遮蔽了微弧氧化涂层的孔洞，复合涂层能够显著抑制镁合金基体的腐蚀离子的转移和扩散过程，极大地提高镁合金的耐蚀性。但是能在恶劣环境条件下提供保护的单层膜层较少，目前国内外还未能研发成功一种能用于镁合金基体的抗恶劣环境单层膜层，很多情况下都采取多层膜层，所以能够研究出一种可以抵抗极端条件下的单层膜层是今后科研工作者们需要攻坚的一大课题。1.5 本课题研究目的及意义镁合金是实际应用的金属结构材料中最轻的，具有比重小，阻尼性、切削加工性、铸造性好，比强度、比刚度高等优点，选用镁合金的主要优越性在于:镁合金中有 90%左右的成分是金属镁，由于镁是极其活泼的金属，其标准电极9电位为-2.37 V，比铁低约 2 V，比铝低约 0.7 V，仅仅高于锂、钠、钾三种金属。在汽车、航空航天、机械领域以及便携式电子仪表、计算机等领域得到广泛的应用，但极差的耐蚀性成为制约镁合金发挥结构性能优势的一个重要因素。另外，镁合金压铸件报废后还可以直接回收利用，符合环保要求。镁合金在存在各种优越性的同时也有各种缺陷限制着他的使用，其缺陷表现在：镁活泼的化学特性使镁合金在工作条件下极易受到腐蚀。特别是当镁合金件与其它金属，如铁、铜、铝等材料相接触时，镁合金件由于电位较低，成为腐蚀电偶对中的阳极而受到严重的腐蚀。因此，国内外许多科研院所都在积极开展镁合金的防腐研究，以提高其耐蚀性，发挥镁合金的性能优势。对镁铝合金的表面处理能使合金表面形成保护膜很好的防止了腐蚀的发生，延长了合金的使用时间。1.6 本课题研究的主要内容本课题以在 AZ91 合金基础上改进及设计出的铸造 Mg-8.5Al-1Zn 合金为实验材料，进行了以下几方面的研究：(1) 研究了由硅酸钠、氟化钾、氢氧化钾及丙三醇四种主要成分复合组成的微弧氧化电解液的不同浓度对氧化膜形貌及厚度的影响。(2) 相同电解液浓度时不同电流密度对氧化显微结构的影响。(3) 相同电解液浓度时不同微弧氧化时间对氧化显微结构的影响。(4) 微弧氧化后选出最优工艺进行有机涂层，选用有机硅、陶瓷有机硅和丙烯酸进行涂层，涂层后，采用扫描电镜测试其膜层微观形貌、结构组织及元素组成，XRD 分析其膜层物相组成，并对膜层进行硬度分析以及 NaCl 水溶液腐蚀试验及腐蚀后试样表面形貌分析，得出最优工艺。102 实验方案112 实验方案2.1 实验材料本实验所使用的基体材料是在 AZ91 合金基础上改进及设计出的铸造 Mg-8.5Al-1Zn 合金，其化学成分如表 2.1 所示。表 2.1 Mg-Al-Zn 镁合金材料的化学成分 (wt%)Mg Al Zn Mn Ce Ti89.07 8.7 1 0.13 1.0 0.1镁铝合金的成分主要依据微量元素及稀土元素对浇注试样性能的影响而设计的，本课题实验所需的材料的选取情况如下：实验所用到的 Mg 为工业纯镁(99.9%)；实验所用到的 Zn 为纯度 99.9%的锌锭实验所用到的 Al 为纯度 99.9%的铝锭；Mn 为含锰量为 10wt%的铝一锰中间合金， Ti 为含钛量为 4wt%的铝-钛中间合金；实验所用到稀土元素为 30wt%的 Mg-30Ce 合金。覆盖剂是用于熔炼镁铝合金时均匀撒在液态镁铝合金表面，防止高温熔炼时镁铝合金的自燃，为了使用方便并且达到其该有的效果，一般在使用前都会在 300下保温烘干两小时。其成分及含量如 2.2 所示。表 2.2 覆盖剂的成分及含量
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
|
2:不支持迅雷下载,请使用浏览器下载
3:不支持QQ浏览器下载,请用其他浏览器
4:下载后的文档和图纸-无水印
5:文档经过压缩，下载后原文更清晰
|
川公网安备: 51019002004831号