鑄造鎂合金表面處理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

劉延濤 宋瑞芹 安豐發(fā) 王青峰

關(guān)鍵詞：鑄造鎂合金材料 表面處理 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種設(shè)備儀器的精密度要求在不斷地提高。鑄造鎂合金材料有著非常優(yōu)良的切削加工性能和鑄造性能，能夠廣泛應(yīng)用于航天航空和汽車(chē)等對(duì)精度高要求的行業(yè)，特別是目前我國(guó)對(duì)航天航空行業(yè)以及汽車(chē)行業(yè)有輕量化的需求，這也為鑄造鎂合金材料提供了發(fā)展契機(jī)。但要想更有效地去滿足這些行業(yè)的要求，需要我們提高制造工藝的質(zhì)量和要求。

對(duì)于鑄造鎂合金材料而言，怎樣去提高鑄造鎂合金的強(qiáng)度、硬度、抗腐蝕性、耐熱性和耐磨性已經(jīng)成為目前材料學(xué)中的一個(gè)重要課題內(nèi)容。但是目前我國(guó)鑄造鎂合金材料表面處理技術(shù)還存在很多的問(wèn)題，例如鑄造鎂合金材料容易受到腐蝕，若是這一問(wèn)題得不到有效解決，將會(huì)極大程度地影響到鑄造鎂合金材料的廣泛應(yīng)用。為此，本文對(duì)鑄造鎂合金表面處理的現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1鑄造鎂合金材料的種類

1.1Mg-AI-Zn系列合金

A291、AS21、AE42、AM60、ZM5、AS41等是Mg-AI-Zn系列合金最常見(jiàn)的種類。一般來(lái)說(shuō)，在該系列的合金之中A1元素的含量要低于10%，在這個(gè)A1含量范圍之中，Mg-A1-Zn系列合金材料中的液相線以及固相線會(huì)隨著Al元素含量的提高而出現(xiàn)溫度下降的情況，尤其是固相線的溫度下降的速率變得比液相線更快，在這一條件下能使得鎂合金材料在澆筑和熔煉時(shí)所產(chǎn)生的溫度得到有效降低，從而降低了鎂合金液氧化以及燃燒過(guò)程中損耗。但是其也存在一定的弊端，那就是由于溫度變動(dòng)的范圍較大，使得凝固之后的鑄件很容易出現(xiàn)松動(dòng)和存在缺陷等情況。

1.2Mg-Zn-Zr系列合金

我們都知道，二元Mg-Zn合金的組織會(huì)存在粗大的情況，其對(duì)于微縮孔可能會(huì)存在敏感的情況，所以以Mg-Zn合金為組織的二元合金沒(méi)有被廣泛地應(yīng)用在實(shí)際之中。由于Zr元素對(duì)于Mg-Zn合金為組織的二元合金有著一定的細(xì)化作用，因此其也是Mg-Zn合金為組織的二元合金做有效的細(xì)化方式。為此，將Zr元素應(yīng)用在Mg-Zn合金為組織的二元合金之中能夠有效應(yīng)對(duì)組織存在粗大的問(wèn)題，這也是為什么在目前的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程之中會(huì)在Mg-Zn合金為組織的二元合金中添加Zr元素的原因。在把Zr元素添加到Mg-Zn合金為組織的二元合金中之后，就能得到Mg-Zn-Zr系列合金，例如：ZK61A以及ZK51A（ZM1）等。這一系列的合金適合應(yīng)用在一些鑄件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、需要承受較高強(qiáng)度和強(qiáng)沖擊力的精密零件之中，例如飛機(jī)中的支架、輪轂以及隔框等。

1.3Mg-RE-Zr系列合金

Mg-RE-Zr系列的合金主要是耐熱類型的合金，這類型的合金主要有EK41、ZE63、ZE41、EK30、EK31、ZM2、ZM3、ZM4、ZM6、E233、WE54等，該系列的合金主要是為了應(yīng)用在低于200以下的發(fā)動(dòng)機(jī)之中，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的整流艙、電機(jī)殼體以及發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣。

2鑄造鎂含金材料的表面處理現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著人們對(duì)鎂合金材料要求的提高，利用鑄造技術(shù)對(duì)鎂合金材料進(jìn)行鑄造的方式逐漸得到廣泛的應(yīng)用。但是鎂合金材料存在負(fù)電極電位的情況，這使得鎂合金材料很容易受到腐蝕，且其自身的易腐蝕性的問(wèn)題尚未有效解決。而通過(guò)對(duì)鎂合金材料的表面處理之后，也只能夠延緩其腐蝕的速度，其自身的易腐蝕性還是得不到根本的解決，無(wú)法有效地提高鎂合金材料的耐腐蝕性。此外，要想鎂合金材料廣泛地應(yīng)用在海洋的環(huán)境之中，對(duì)鎂合金材料有著很高的要求，要求其防腐性能要達(dá)到“中性鹽霧≥1000h、酸性鹽霧≥192h”這樣的標(biāo)準(zhǔn)。也正是因?yàn)殒V合金材料的易腐蝕性，在航空航天上無(wú)法有效地應(yīng)用鎂合金材料，這使得我國(guó)軍備的自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于美軍的軍備自重。雖然現(xiàn)階段的技術(shù)尚未能徹底地解決鎂合金材料的易腐蝕性問(wèn)題，這時(shí)我們只能通過(guò)對(duì)鑄造鎂合金材料的表面進(jìn)行處理以盡可能地提高其防腐性能。

2.1將化學(xué)轉(zhuǎn)化處理和有機(jī)噴涂進(jìn)行結(jié)合

化學(xué)轉(zhuǎn)化處理的方法主要是通過(guò)將鎂合金材料放在相關(guān)的化學(xué)溶液中進(jìn)行浸泡，使得鎂合金材料能夠和該溶液完全發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣就能在鎂合金材料金屬的表面產(chǎn)生一道防護(hù)膜，由于其是中間的防護(hù)環(huán)節(jié)，相關(guān)人員需要結(jié)合有機(jī)噴涂來(lái)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。目前常見(jiàn)的有以下幾種溶液的處理方式。

a.對(duì)鎂合金材料進(jìn)行鉻化處理。經(jīng)過(guò)該處理之后，在鎂合金材料表面就會(huì)形成一層有氧化鉻、鉻酸鹽、氧化鎂化合物的防護(hù)膜，但是該處理液無(wú)論是對(duì)于人類的身體還是自然環(huán)境都不友好。

b.對(duì)鎂合金材料進(jìn)行磷化處理。經(jīng)過(guò)該處理之后，在鎂合金材料表面就會(huì)形成一層含有磷酸鹽的防護(hù)膜。但是其不能很好地適用在一些表面質(zhì)量不好的薄壁壓鑄件上，這會(huì)使得生成的防護(hù)膜較弱。

c.對(duì)鎂合金材料進(jìn)行鋅置換處理。經(jīng)過(guò)該處理之后，在鎂合金材料表面就會(huì)形成一層防護(hù)膜。這層防護(hù)膜能夠提高鑄件的吸附性能，使得其能夠直接將電鍍鎳、鍍鉻、鍍銅等工藝應(yīng)用在鎂合金材料上。

d.對(duì)鎂合金材料進(jìn)行化學(xué)腐蝕處理。這種化學(xué)腐蝕的處理方式主要是用鉻酸一硝酸溶液來(lái)對(duì)其進(jìn)行腐蝕，然后用氫氟酸溶液來(lái)消除鎂合金表面生成的鉻酸膜，使得最后產(chǎn)生出氟化鎂膜層，大大地增強(qiáng)了其吸附性能，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行鍍鉻處理。

對(duì)鎂合金材料進(jìn)行鋅置換處理和化學(xué)腐蝕處理雖然能夠有效地提升耐蝕性，但是其所提升的耐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如對(duì)鎂合金材料進(jìn)行鉻化處理與磷化處理好，即便是這樣，還是要進(jìn)行有機(jī)噴涂處理，這樣才能達(dá)到增強(qiáng)其防腐蝕性的目的。用表面含有鉻轉(zhuǎn)化膜的鎂合金材料為例，需要對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)幾十小時(shí)的腐蝕。但是因?yàn)槠渖傻霓D(zhuǎn)化膜層厚度比較薄，脆性大以及耐蝕性較差，很容易在噴涂的時(shí)候出現(xiàn)點(diǎn)狀腐蝕的現(xiàn)象，影響到產(chǎn)品壽命，使得表面出現(xiàn)鼓包起皮等問(wèn)題。同時(shí)由于該技術(shù)是通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化的方式來(lái)處理，不僅產(chǎn)生的廢液會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且化學(xué)處理的成本也相對(duì)較高，不利于綠色生態(tài)環(huán)境的建設(shè)，因此該技術(shù)面臨淘汰的幾率較大。

2.2微弧氧化技術(shù)和陽(yáng)極氧化技術(shù)

微弧氧化技術(shù)和陽(yáng)極氧化技術(shù)都是將鎂合金材料當(dāng)成陽(yáng)極來(lái)處理。受到外電壓的作用，將鎂合金放置在溶液中進(jìn)行加工和處理，利用鎂合金材料和電解液之間產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)使其在鎂合金表面產(chǎn)生一層薄膜。

a.微弧氧化技術(shù)。微弧氧化技術(shù)主要是借助電解液和電參數(shù)之間形成的組合，從而在鎂合金材料的表面通過(guò)弧光放電的方式使其表面產(chǎn)生瞬時(shí)的高溫高壓，這樣就能讓鎂合金材料的表面形成一層陶瓷膜層，從而提升鎂合金材料的耐蝕性和硬度水平。

b.陽(yáng)極氧化技術(shù)。經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化的材料很容易在堿性溶液中形成氧化膜，形成的膜主要有氫氧化鎂的化合物。其產(chǎn)生的膜會(huì)出現(xiàn)粗糙、較大孔隙、疏松的結(jié)構(gòu)、孔洞較大以及分布不規(guī)則等現(xiàn)象。另外，這層膜比較薄，很容易在受壓情況下出現(xiàn)脫落。

由于微弧氧化技術(shù)有著集中放電的特性，這就會(huì)在某種程度上增加了鑄造鎂合金材料存在的問(wèn)題，會(huì)使鎂合金材料所生成的膜出現(xiàn)疏松多孔的問(wèn)題。若是將微弧氧化技術(shù)和噴涂相結(jié)合，也一樣無(wú)法有效地避免點(diǎn)蝕問(wèn)題的發(fā)生，很容易使產(chǎn)品表面出現(xiàn)鼓包的現(xiàn)象，使得涂層防護(hù)出現(xiàn)失效的情況，無(wú)法有效達(dá)到某些行業(yè)的要求。

2.3超微弧氧化技術(shù)

超微弧氧化技術(shù)主要是在微弧氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上，在電源設(shè)計(jì)方向上的突破。該技術(shù)改變了微弧氧化技術(shù)反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)力反應(yīng)，在鎂合金材料的孔洞中形成發(fā)散放電，從而形成相對(duì)均勻而致密的膜。

超微弧氧化技術(shù)主要有以下這幾點(diǎn)特征：

a.超微弧氧化技術(shù)能夠有效地實(shí)現(xiàn)鎂合金材料的孑L洞中的發(fā)散放電，避免了運(yùn)用微弧氧化技術(shù)在形成薄膜過(guò)程中出現(xiàn)集中放電或者是間斷放電的情況，抑制了微弧氧化技術(shù)過(guò)程中由于砂眼和縮孔等新型材料缺陷而產(chǎn)生的問(wèn)題，降低了燒件問(wèn)題的發(fā)生。

b.由于超微弧氧化技術(shù)具有發(fā)散放電的特征，能有效避免微弧氧化技術(shù)所產(chǎn)生的燒件現(xiàn)象，這就能夠有效地保障電源設(shè)備的穩(wěn)定性，從而提高單機(jī)的生產(chǎn)能力，使得單機(jī)的生產(chǎn)能力能夠達(dá)到7m2。

c.由于超微弧氧化技術(shù)具有發(fā)散放電的特征，這對(duì)于多晶共相生長(zhǎng)是非常有利的，能夠使其形成相對(duì)完整的復(fù)合陶瓷相。目前，很多企業(yè)已經(jīng)將這一技術(shù)作為設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，這也使很多鎂合金材料的鑄造技術(shù)獲得較大的突破，能夠有效地滿足海洋環(huán)境、吸光以及溫控等要求，無(wú)論是在3C、光學(xué)、航空航天等行業(yè)都可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

d.超微弧氧化技術(shù)的有關(guān)設(shè)備被認(rèn)定為重大技術(shù)，這也說(shuō)明這一新技術(shù)逐漸變得成熟化，成功邁入到產(chǎn)業(yè)化的環(huán)節(jié)之中。

3結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)在鑄造鎂合金材料表面處理上還存在很多問(wèn)題和不足，如：有很多鑄造企業(yè)并不注重對(duì)鑄造鎂合金拆料的表面進(jìn)行處理，甚至有部分企業(yè)為丁節(jié)省成本，并沒(méi)有對(duì)鑄造鎂合金材料的表面進(jìn)行處理，這不僅不利于延伸鑄造鎂合金材料的適用范圍，而且還可能會(huì)導(dǎo)致鑄造鎂合金材料的壽命減少，不利于發(fā)揮出鑄造鎂合金材料的優(yōu)勢(shì)。為此，這就需要相關(guān)的鑄造企業(yè)要明白鑄造鎂合金材料的使用范圍，將化學(xué)轉(zhuǎn)化處理和有機(jī)噴涂進(jìn)行結(jié)合起來(lái)，并了解微弧氧化技術(shù)和陽(yáng)極氧化技術(shù)以及超微弧氧化技術(shù)處理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。只有這樣才能有效地運(yùn)用合適的技術(shù)處理好鑄造鎂合金表面材料，滿足我國(guó)對(duì)航天航空行業(yè)以及汽車(chē)行業(yè)有輕量化的需求，進(jìn)一步帶動(dòng)我國(guó)航天航空和汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，提高我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。