專利名稱：鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鎂合金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及對(duì)鎂合金進(jìn)行表面耐蝕處理的一種鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)以及制備工藝。
背景技術(shù)：
鎂及鎂合金具有密度低、比強(qiáng)度高、加工焊接和阻尼性能良好及尺寸穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的重視及廣泛應(yīng)用，目前已成功地應(yīng)用于航空、汽車制造和電子等領(lǐng)域。鎂的化學(xué)性質(zhì)很活潑，其標(biāo)準(zhǔn)電極電位只有-2.37V，是常用金屬中電極電位最低的。雖然鎂在空氣中也能形成保護(hù)性的氧化膜，但這種膜很脆，不致密，遠(yuǎn)不如鋁合金氧化膜堅(jiān)實(shí)，故耐蝕性很差。這使鎂合金的應(yīng)用受到很大的限制。
為了提高鎂合金的耐腐蝕性能，國(guó)內(nèi)外科技工作者做了大量的研究工作，但目前通用的防腐表面處理依然是傳統(tǒng)的表面防護(hù)技術(shù)，如陽(yáng)極氧化處理，化學(xué)鍍鎳，環(huán)氧樹脂密封，油漆或搪瓷等，這些表面處理涂層較薄，耐蝕性受到一定限制，電鍍和陽(yáng)極氧化均存在受設(shè)備尺寸限制和排放廢液污染的問題。因此，世界各國(guó)相繼開展了鎂合金表面等離子微弧陽(yáng)極氧化、激光表面熱處理和激光表面合金化以及物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或電子束蒸發(fā)等表面處理方法的研究，這些現(xiàn)代的鎂合金表面改性技術(shù)利用設(shè)備優(yōu)勢(shì)可以得到表面處理優(yōu)異的防蝕層，但除微弧陽(yáng)極氧化只須簡(jiǎn)單的電源(要求高電壓和高電流，生產(chǎn)成本高)以外，其他技術(shù)均須特殊的昂貴設(shè)備或需在真空等苛刻的條件下進(jìn)行，除航空航天或軍事等高附加值領(lǐng)域的特殊部件能夠采用這些技術(shù)外，其他領(lǐng)域的產(chǎn)品難以承受這樣高昂的成本，因此其市場(chǎng)前景受到了一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有鎂合金表面耐蝕處理存在的不足，提供一種鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)以及制備工藝，在鎂合金表面獲得較厚、結(jié)合較好、強(qiáng)度較高、耐蝕性優(yōu)良的涂層，提高鎂合金表面的耐腐蝕性能，工藝簡(jiǎn)單，制造成本低。
本發(fā)明采用以下技術(shù)方案本發(fā)明提供的鎂合金成型制品鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)組成如下它首先具有鎂合金基礎(chǔ)材料層，然后在該鎂合金基礎(chǔ)材料層之上結(jié)合有通過熱噴涂形成的Al-Zn系合金中間層，再在Al-Zn系合金中間層表面還結(jié)合有通過熱噴涂形成的Al涂層。
該涂層結(jié)構(gòu)的獲得工藝包括以下步驟首先，進(jìn)行熱噴涂預(yù)處理，即采用噴砂對(duì)鎂合金基礎(chǔ)材料層的表面清除雜物并粗化。由于鎂合金極易被氧化，在表面易形成氧化鎂，但這層氧化鎂是疏松的，如果預(yù)處理不加以除去，將會(huì)導(dǎo)致熱噴涂的Al-Zn系合金中間層與基體結(jié)合力降低，同時(shí)基體表面的雜質(zhì)也將影響噴涂材料與基體的結(jié)合力，因此首先需對(duì)基體表面進(jìn)行上述的預(yù)處理。
然后，用熱噴涂槍在鎂合金基礎(chǔ)材料層表面熱噴涂Al-Zn系合金作為中間層。設(shè)計(jì)該中間層的原因是純Al的熔點(diǎn)660.24℃，而鎂的熔點(diǎn)為650℃，鋁及鎂的合金熔點(diǎn)相近，又由于鎂易燃燒，所以為鋁鎂的熔敷和擴(kuò)散工藝造成較大的難題。而Zn的熔點(diǎn)只有419.5℃，Al-Zn，MgZn及Al-Mg-Zn共晶的熔點(diǎn)則還要低，有利于擴(kuò)散層的形成及涂層結(jié)合強(qiáng)度的提高。此中間層的加入可作為梯度材料，其加熱時(shí)易和基體形成低熔點(diǎn)的MgZn，MgZn2共晶，同時(shí)又可和表層的Al涂層形成Al-Zn及Al-Mg-Zn三元共晶，這種涂層因含Zn所以耐環(huán)境中的堿性物質(zhì)的浸蝕，而環(huán)境中的酸性及硫和硫化物則靠Al涂層防腐。
進(jìn)一步，在Al-Zn系合金中間層表面熱噴涂Al做為表面涂層。鋁合金由于表面的氧化膜非常致密，具有良好的耐蝕性，鋁和鎂均屬于輕合金，兩種元素具有良好的相容性，并且兩者結(jié)合性能優(yōu)良，因此在鎂合金表面形成一定量的鎂鋁化合物，可以提高表面電極電位，減少電偶腐蝕的傾向，對(duì)基體鎂合金起到很好的保護(hù)作用。
之后，在進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散處理，擴(kuò)散溫度在200-430℃，擴(kuò)散時(shí)間根據(jù)需求而定，在1-20小時(shí)。由于表面的噴鋁涂層存在微孔，具有一定的孔隙率，當(dāng)環(huán)境中的O2-、Cl-、和SO22-等酸性離子穿透這些孔隙將會(huì)導(dǎo)致鎂基體的腐蝕。如果將涂層經(jīng)重熔處理，可消除涂層中氧化物夾雜和孔隙，層狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榫|(zhì)結(jié)構(gòu)，基于此原理，為了提高涂層與基體的結(jié)合力以及使鎂鋁能夠充分?jǐn)U散融合，進(jìn)一步提高其耐蝕性，就需對(duì)表面噴鋁的鎂合金制品進(jìn)行低溫?zé)釘U(kuò)散。擴(kuò)散溫度的選擇主要是根據(jù)Mg-Al及Mg-Al-Zn相圖以及擴(kuò)散理論而確定的。當(dāng)擴(kuò)散溫度高時(shí)，擴(kuò)散所需時(shí)間短，涂層表面會(huì)出現(xiàn)半融合狀態(tài)，涂層致密性好，但表面的光潔度會(huì)受到一定的損失，如果是薄壁件，鎂合金基體容易發(fā)生變形，對(duì)零件本身產(chǎn)生不良影響；當(dāng)擴(kuò)散溫度低時(shí)，所需擴(kuò)散時(shí)間要長(zhǎng)一些，但表面光潔度高些，鎂合金基體零件本身的抗蠕變性能有保障。因此，根據(jù)工件服役條件的不同，通過調(diào)整確定擴(kuò)散溫度和擴(kuò)散時(shí)間得到噴涂擴(kuò)散的最佳效果。當(dāng)擴(kuò)散溫度過低時(shí)，擴(kuò)散所需時(shí)間太長(zhǎng)，且二元相的生成非常困難，涂層與基體的結(jié)合力會(huì)受到很大的影響，達(dá)不到擴(kuò)散的目的要求。
進(jìn)一步，還可對(duì)制品表面進(jìn)行封閉處理或涂裝處理?？刹捎镁郯滨キh(huán)氧漆刷涂封閉處理，其目的是盡可能地把涂層的孔隙封住，并填平因噴涂顆粒堆砌而產(chǎn)生的凹坑。此處理可根據(jù)零件制品服役情況安排進(jìn)行，可以在上述所有涂層熱噴涂工序完成以后進(jìn)行，也可以在熱擴(kuò)散后進(jìn)行。熱噴涂鋁之后如果表面要求非常光滑需拋光，則可不進(jìn)行封閉處理。為了延長(zhǎng)防護(hù)體系的使用壽命和出于美觀考慮，也可在表面進(jìn)行涂裝處理。
本工藝中，中間層的噴涂材料采用Al-Zn系合金絲，以降低氧化率，其中Al和Zn兩者含量占合金絲的99％左右，其余為微量元素和可細(xì)化組織的元素或稀土元素。Al-Zn系合金中間層熱噴涂的熱噴涂最好在噴砂完成后立即進(jìn)行，最長(zhǎng)間隔時(shí)間不超過4小時(shí)，如環(huán)境空氣濕度太大，則不可進(jìn)行噴涂，要保持工件表面濕度至少比露點(diǎn)溫度高3℃以上，才可進(jìn)行噴涂。
本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于在鎂合金制品的表面形成一層牢固的冶金結(jié)合的耐腐蝕性能高的鋁鋅系涂層，顯著提高鎂合金表面的耐腐蝕性能。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，制造成本低。
通過對(duì)上述鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱震試驗(yàn)表明，涂層與基體結(jié)合牢固，已大大超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求數(shù)值；通過硬度測(cè)試，測(cè)得表面硬度可比基體硬度提高三分之一；通過鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)，加速鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)間不低于1000小時(shí)，經(jīng)過3000小時(shí)表面未見腐蝕，證明本結(jié)構(gòu)的在耐腐蝕性方面有顯著提高。


圖1是本鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下通過實(shí)施例來進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的內(nèi)容。
實(shí)施例1首先，選擇待處理的鎂合金工件，對(duì)其進(jìn)行表面預(yù)處理，選用磷鑄鐵砂和剛玉砂，其粒度一般為0.5-1.5mm，，先用砂紙將表面的氧化膜及油污等臟物除掉，然后經(jīng)噴砂設(shè)備處理，再次去掉深層次的氧化物，同時(shí)使表面新鮮化，便于噴鋅鋁層與之有較好的結(jié)合。噴砂完畢后，立即進(jìn)行熱噴涂處理。
用熱噴涂槍在鎂合金基礎(chǔ)材料層表面熱噴涂Al-Zn系合金作為中間層。Al-Zn系合金中間層材料為Al-Zn系合金絲，其中Al和Zn兩者含量占合金絲的99％左右，其余為微量元素和可細(xì)化組織的元素或稀土元素。采用熱噴涂槍，工藝參數(shù)為氣體工作壓力氧氣0.3-0.6MPa；乙炔0.07-0.2MPa；壓縮空氣0.5-0.6MPa；保護(hù)氣體0.2-0.6MPa。
在Al-Zn系合金中間層只上采用熱噴涂槍噴涂Al涂層，工藝參數(shù)為氣體工作壓力氧氣0.4-0.5MPa；乙炔0.07-0.1MPa；壓縮空氣0.5-0.6MPa；保護(hù)氣體0.3-0.5MPa。氣體消耗量為氧氣1.7m3/h；乙炔0.1m3/h；壓縮空氣1.2m3/min；保護(hù)氣體1.5m3/h。噴涂時(shí)間，噴槍和工件的距離及移動(dòng)速度，可按不同工件大小、形狀及噴涂厚度要求而定。
然后，將工件放入箱式爐中，加熱至200-430℃，進(jìn)行低溫?zé)釘U(kuò)散。
最后，對(duì)工件根據(jù)需要進(jìn)行封閉處理或涂裝處理。
所獲得的涂層結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中，1為鎂基體，2為Al-Zn系合金中間層，3為Al涂層。
權(quán)利要求
1.一種鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)，其特征是在鎂合金基礎(chǔ)材料層之上結(jié)合有通過熱噴涂形成的Al-Zn系合金中間層，在Al-Zn系合金中間層表面還結(jié)合有通過熱噴涂形成的Al涂層。
2.制備權(quán)利要求1所述的鎂合金成型制品鋁鋅系表面耐蝕涂層的工藝，其特征在于包括以下步驟(1)首先采用噴砂對(duì)鎂合金基礎(chǔ)材料層表面清除雜物并粗化；(2)然后熱噴涂Al-Zn系合金作為中間層；(3)再熱噴涂Al作為表面涂層；(4)進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散處理，擴(kuò)散溫度在200-430℃，擴(kuò)散時(shí)間根據(jù)需求而定，在1-20小時(shí)；(5)最后對(duì)制品表面進(jìn)行封閉處理或涂裝處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于Al-Zn系合金中間層材料為Al-Zn系合金絲，其中Al和Zn兩者含量占合金絲的99％左右，其余為微量元素和可細(xì)化組織的元素或稀土元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的工藝，其特征在于熱噴涂Al-Zn系合金中間層采用熱噴涂噴槍，工藝參數(shù)為氧氣0.3-0.6MPa；乙炔0.07-0.2MPa；壓縮空氣0.5-0.6MPa；保護(hù)氣體0.2-0.6MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的工藝，其特征在于熱噴涂Al涂層采用熱噴涂槍，工藝參數(shù)為氣體工作壓力氧氣0.4-0.5MPa；乙炔0.07-0.1MPa；壓縮空氣0.5-0.6MPa；保護(hù)氣體0.3-0.5MPa。
全文摘要
一種鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結(jié)構(gòu)及其制備工藝，其結(jié)構(gòu)是在鎂合金基礎(chǔ)材料層之上結(jié)合有通過熱噴涂形成的Al－Zn系合金中間層，在Al－Zn系合金中間層表面還結(jié)合有通過熱噴涂形成的Al涂層。工藝步驟包括首先采用噴砂對(duì)鎂合金基礎(chǔ)材料層表面清除雜物并粗化；然后熱噴涂Al－Zn系合金作為中間層；再熱噴涂Al作為表面涂層；進(jìn)行低溫?cái)U(kuò)散處理，擴(kuò)散溫度在200－430℃，擴(kuò)散時(shí)間根據(jù)需求而定，在1－20小時(shí)；最后對(duì)制品表面進(jìn)行封閉處理或涂裝處理。通過本發(fā)明能在鎂合金成型制品表面獲得較厚、結(jié)合較好、強(qiáng)度較高、耐蝕性優(yōu)良的涂層，提高鎂合金表面的耐腐蝕性能，工藝簡(jiǎn)單，制造成本低。
文檔編號(hào)C23C4/08GK1598035SQ20041004036
公開日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月30日
發(fā)明者張津, 孫智富, 王瑩 申請(qǐng)人:重慶工學(xué)院