CN102560300A

CN102560300A - 铝包覆与塑性变形相结合的镁合金防腐工艺

Info

Publication number: CN102560300A
Application number: CN201110397733XA
Authority: CN
Inventors: 徐宏妍; 杨亚琴; 张治民; 王强; 李智勇
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种铝包覆与塑性变形相结合的镁合金防腐工艺，通过镁合金表面包覆一层铝(或铝合金)，然后在较高温度和适当条件下进行塑性变形，这样铝包覆层与镁合金基体之间就会在机械结合的基础上，形成良好的物理焊合，产生了很薄的金属间化合物扩散层，该结合层具有较好的耐蚀性，可以大大降低镁合金的腐蚀速率；同时，镁合金基体表面被钝化性极强的铝(或铝合金)包覆，避免了因各种缺陷引起的局部腐蚀电池，达到了提高镁合金基体耐腐性能的目的；另外，塑性变形可以使镁合金基体和铝包覆层的晶粒细化，从而提高它们的力学性能，并进一步提高镁合金基体和铝包覆层的耐蚀性能。

Description

铝包覆与塑性变形相结合的镁合金防腐工艺

技术领域

本发明涉及镁合金防腐工艺，具体而言涉及铝包覆与塑性变形相结合的镁合金防腐工艺。

背景技术

镁合金的质量轻(密度为1.74g/cm³，是铝的2/3，钢的1/4)、比强度和比刚度高、电磁屏蔽性能好、减震抗震性能优良、并且易加工成形和回收再利用。近几年来镁合金作为一种迅速崛起的工程材料，以每年15％的速率快速增长，在3C(Communications通信、Computer计算机和ConsumerElectronics消费类电子)产品、汽车、航空航天、军事等行业有着非常广泛的应用前景。

尽管如此，较差的耐蚀性一直是镁合金作为结构材料受到限制的主要瓶颈。

目前应用较广的镁铝合金是在镁合金添加含量为2-10％的铝，析出更多的耐蚀相Mg₁₇Al₁₂，同时铝与铁反应形成化合物而降低铁的有害影响，从而使镁合金的耐蚀性能迅速提高[1.SONG G L，ATRENS A.Corrosionmechanisms of magnesium alloys[J].Advanced Engineering Materials，1999，1(1)：11-33.].但当温度较高时(＞95～120℃)，该类合金的力学性能和耐蚀性能会显著降低[2.Barbara A.Shaw.Corrosion Resistance ofMagnesium Alloys.ASM Handbook，2003，Volume 13A Corrosion：Fundamentals，Testing，and Protection(#06494G)，pp 692-696.].

最近研究[3.Pinto R，Ferreira M.G.S，Carmezim M.J，Montemor M.F.The corrosion behaviour of rare-earth containing magnesium alloysin borate buffer solution Original Research Article[J].Electrochimica Acta，2011，56(3)：1535-1545]发现稀土元素的加入会使组织细化、产生新相，改变镁合金的表面结构，从而提高镁合金的耐蚀性能.这类合金在高温下也能表现出较好的性能.但该合金的生产需要特定的工艺，同时稀土元素价位昂贵，这就大大提高了合金的价位，也降低了镁合金应用的优越性.

另外，对镁合金进行表面处理(包括化学表面处理、阳极氧化处理、有机物涂覆、激光改性、气相沉积、化学镀、热喷涂等方法)时工序较多，工艺处理要求高，成本较高，致使构件成本大大提高，有些甚至会造成环境污染，如传统镁合金氧化处理Dow17和HAE的电解液一般都含铬、氟、磷等元素，不仅污染环境，也损害人类健康。离子注入、激光改性、气相沉积等方法实用于小批量生产并且所使用的设备昂贵。

目前，针对提高镁合金耐蚀性能的技术有多种.如Dow17和HAE工艺，尽管比较成熟，但由于电解液中一般都含铬、氟、磷等元素，不仅污染环境，也损害人类健康；激光表面改性、气相沉积法等，一般适用于处理较小的面积，并且工艺处理要求高，成本较高；尽管一些稀土元素的加入，可以改善镁合金的耐蚀性能，但由于价格昂贵，所以会大幅度提升镁合金的价位。

另外，在目前的防腐工艺中，一般都没有考虑镁合金的强度问题.因为耐蚀性能差和强度低是制约镁合金应用的两大主要因素。

发明内容

镁合金是目前最轻的工程材料，有着广泛的应用前景，但非常活泼的电化学特性导致镁合金极易腐蚀.

针对目前镁合金防腐技术中的一些缺点，如添加稀土元素会使价位昂贵、表面化学处理对环境有污染、热喷涂容易造成喷涂层的脱落和整体构件强度低等缺点，本发明提出将铝包覆和塑性变形相结合，在提高镁合金耐蚀性能的同时兼顾提高了镁合金的强度。该工艺操作简单，成本低，对环境没有污染。为了实现本发明的目的，采用如下技术方案：

本发明一方面涉及铝包覆与塑性变形相结合的镁合金防腐工艺，包括如下步骤：

(1)镁合金的退火；

将镁合金工件置于箱式炉中均匀化退火处理，处理温度360-400℃，保温10-20小时，然后空冷；

(2)在镁合金表面包覆铝包覆层，所述的铝包覆层的成分为铝或者铝合金；

(3)在300-600℃对使用相应的模具对铝包覆的镁合金进行塑性变形。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的铝包覆层的厚度为0.5-3mm；优选为1-2mm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述塑性变形温度控制在350-450℃，优选为360-390℃；

在本发明的一个优选实施方式中，包覆层的塑性变形程度控制在40-80％，优选为55-65％。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的塑性变形是在没有氧气的条件下进行，优选是在氮气保护下进行；

在本发明的一个优选实施方式中，本发明的工艺还包括模具和工件接触的地方预先喷涂润滑剂，然后装模。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的塑性变形是通过挤压、锻造、压轧和/或拉拔来进行。

本发明另一方面还涉及铝包覆与塑性变形相结合在提高镁合金的防腐和/或强度方面的应用。

在本发明中使用的AZ80镁合金是依据美国材料试验协会(ASTM)使用的方法来标记的镁合金.前2个字母为镁合金中含量较高的两个主要合金元素的代码，其中A代表铝元素Al，Z代表锌元素Zn；后面两个数字表示前面两种元素的重量分数，其中Al元素占约8％，Zn元素占0～1％。该镁合金的具体化学成分如表1所示。

表1 实验用AZ80镁合金铸件的化学成分(重量分数)

Al

Zn

Mn

Si

Fe

Cu

Ni

Mg

8.90

0.53

0.20

＜0.01

＜0.005

＜0.01

＜0.001

余量

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件(零件或毛坯)的工艺过程。

材料在外力作用下产生变形，当应力超过材料的弹性极限，则产生的变形在外力去除后不能全部恢复，而残留一部分变形，材料不能恢复到原来的形状，这种残留的变形就是不可逆的塑性变形。这类利用塑性变形而使材料成形的加工方法，统称为塑性加工。包括锻造，挤压，轧制，拉拔等。

本发明的工艺，以比较常见的Mg-Al-Zn系中价格较低廉但强度较高的AZ80合金为研究对象，通过镁合金表面包覆一层铝(或铝合金)，然后在较高温度和适当条件下进行塑性变形，这样铝包覆层与镁合金基体在结合面处就会形成一定的以金属间化合物Mg₁₇Al₁₂为主的扩散过渡区，该化合物具有较好的耐蚀性，可以大大降低镁合金的腐蚀速率；同时，镁合金基体表面被钝化性极强的铝(或铝合金)包覆，避免了因为各种缺陷形成局部腐蚀电池的可能，达到了提高镁合金基体耐腐性能的目的；另外，塑性变形可以使镁合金基体和铝包覆层的晶粒细化，从而提高它们的力学性能，并进一步提高镁合金基体和铝包覆层的耐蚀性能。

本发明在镁合金构件的加工过程中同时完成了耐蚀性能和强度的提高，并且工序较少，操作简单，成本较低，对环境没有污染。

本发明适用于外形结构较为简单的壳体、门皮、叶轮、机翼、尾翼等的轻量化防腐制造。

附图说明：

图1：技术方案流程示意图；

图2：不同状态AZ80镁合金在3.5％NaCl溶液中的动地位极化曲线的腐蚀测试结果(从上到下依次是实施例1的方案、铸态和塑形变形)；

图3：不同状态AZ80镁合金在3.5％NaCl溶液中与铁块形成电偶电池后的偶合电流随时间变化的测试结果(从上到下依次是铸态、塑形变形和实施例1的方案)。

具体实施方式

实施例1：

铝包覆与塑性变形相结合的AZ80镁合金防腐工艺包括如下步骤：

(1)AZ80镁合金的均匀化退火

将φ300×160尺寸镁合金铸锭工件置于箱式炉中均匀化退火处理，处理温度400℃，保温12小时，然后空冷；

(2)镁合金、铝包覆层的表面处理

将均匀化退火处理的AZ80镁合金铸锭车削，去掉氧化外皮，并沿轴向切成尺寸为φ290×15的圆饼状试样，并置于氮气保护环境中.

将铝锭切削加工成与AZ80镁合金试样等直径的、厚度为2mm铝包覆层，用丙酮清洗表面油污.在氮气保护下，用φ0.4的钢丝刷将铝包覆层表面处理成砂面，然后用10％NaOH清洗表面氧化膜5分钟后，冷风吹干，包覆在AZ80镁合金工件表面。

(3)铝包覆的镁合金工件的塑性变形

被铝合金包覆的镁合金工件在380℃下加热(氮气保护)，将相应的模具加热到400℃；

在模具和工件接触的地方预先均匀喷涂一层润滑剂，然后装模。

将装好的模具和工件放在挤压机上，挤压工件直至铝合金包覆层的变形程度为(60±5)％，变形后，包覆铝层的AZ80镁合金试样厚度为7mm左右，塑性变形温度控制在380℃±10℃，结束后空冷即可。

腐蚀性能测试：

对铸造AZ80镁合金、塑形变形AZ80镁合金和经本方案(塑形变形+铝合金包覆)保护的AZ80镁合金进行的腐蚀性能测试结果如说明书附图2和3。

由附图2可以看出，相对于铸态镁合金的腐蚀电位(-1609mV_SCE)和腐蚀速度(logi_corr＝0.543mA/cm²)来说，单一塑性变形的镁合金的腐蚀电位(-557mVSCE)正向上升了52mV，腐蚀速度(logi_corr＝-1.435mA/cm²)降低了1个数量级；经本方案保护后的镁合金的腐蚀电位(-1417mV_SCE)正向上升了192mV，并且表面明显处于钝化状态(在极化曲线中表现为：随着极化电位的增大，极化电流不发生改变的现象).由此可知经本方案保护的镁合金的腐蚀倾向和腐蚀速度大大降低，同时出现了钝化现象。

电偶腐蚀是镁合金的主要破坏形式之一，电偶腐蚀的腐蚀速度可以由偶合电流的大小来表征，偶合电流越大，电偶腐蚀速度就越快。附图3是不同状态下镁合金与铁块在3.5％NaCl溶液中形成电偶电池后的偶合电流随时间的变化曲线.可知，铸态AZ80镁合金的电偶腐蚀速度随时间的延长逐渐加剧，而经塑性变形和本方案保护后的电偶腐蚀速度趋于常量；并且单一塑性变形后镁合金的电偶电流为原始铸态的1/2；而经本方案保护处理后，镁合金的电偶腐蚀速度降为原始铸态的1/5.由结果可知，铝包覆层和塑性变形相结合的方法可以大大降低镁合金的电偶腐蚀速度.

强度结果：

AZ80镁合金在380℃进行锻造塑性变形(包覆层变形程度65％)后，抗拉强度由铸态的180MPa增强到250MPa；另外，对AZ80镁合金在380℃进行热挤压的塑性变形(挤压比为50)后，轴向的抗拉强度由铸态的250MPa增强到300MPa。

当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.铝包覆与塑性变形相结合的镁合金防腐工艺，包括如下步骤：

(1)镁合金的退火；

(3)在300-600℃，使用相应的模具对铝包覆的镁合金进行塑性变形。

2.根据权利要求1所述的工艺，其中铝包覆层的厚度为0.5-15mm；优选为1-2mm。

3.根据权利要求1所述的工艺，所述塑性变形温度控制在350-450℃，优选为360-390℃；

4.根据权利要求1所述的工艺，包覆层的塑性变形程度控制在40-80％，优选为55-65％。

5.根据权利要求1所述的工艺，所述的塑性变形是在没有氧气的条件下进行，优选是在氮气保护下进行；

6.根据权利要求1所述的工艺，本发明的工艺还包括模具和工件接触的地方预先喷涂润滑剂，然后装模。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的工艺，所述的塑性变形是通过挤压、锻造、压轧和/或拉拔来进行。

8.铝包覆与塑性变形相结合在提高镁合金的防腐和/或强度方面的应用。