消失模铸造镁合金表面合金化/陶瓷化研究

摘要

随着工业的快速发展，轻量化越来越被人们所重视，作为最轻的结构材料之一，镁合金在汽车、机械、航空航天、军事领域都具有广泛的应用前景。镁合金铸件耐蚀性较差，恶劣环境下的零部件易发生腐蚀失效成为制约其更广泛应用的关键因素。
　　 目前常用的防腐措施都存在不同程度的局限性，特别是对复杂外形的镁合金铸件。
　　 因此，研究新的表面防腐技术成为扩大镁合金铸件应用范围的重要课题。
　　 本文采用消失模铸造工艺，在泡沫模样表面涂刷一层或两层特种涂料，在成形过程中，使镁合金铸件表面生成具有较高强度和致密性的合金化/陶瓷化层，以提高合金铸件的耐蚀性。建立合金化/陶瓷化动力学模型，进一步揭示镁合金表面合金化的动力学和冶金学机制，本文在合金化/陶瓷层的形成规律、工艺技术路线、防腐效果等多方面进行了深入研究，完成的主要工作如下：
　　 首先，系统地研究了镁合金消失模铸造表面合金化工艺，选择金属铝粉作为合金化元素配制合金化涂料，在铸件表面得到了平均厚度为300~500μm的合金层。重点研究了合金化铝粉颗粒粒度、粘结剂种类、真空度、浇注温度等因素对合金层组织的影响。研究结果表明：浇注温度、真空度只有在超过临界值时才能克服表面张力的阻碍，生成稳定的合金层；铝粉粒度过小会增加金属液渗入难度，进而影响合金层质量；粘结剂对合金层的形成过程产生重要影响。在镁合金铸件表面得到稳定合金层的工艺条件是：浇注温度780℃，真空度－0.06MPa，合金化涂料厚度0.8mm，Al 粉粒度大小150μm。XRD分析显示，合金层主要由α-Mg与β-Al12Mg17组成，此外还有少量的Al3Mg2、Al、（MgZn）相。分析了不同元素在合金层截面上的分布，合金层中铝的含量和显微硬度沿表面至基体呈梯状分布。合金层在3.5Wt.％NaCl 水溶液中的电化学分析显示，其腐蚀电位比未处理的试样提高了110mv 左右，极化电阻升高了6~7 倍，因此镁合金的耐蚀性得到了显著提高。
　　 其次，用PbO-ZnO-Na2O 系陶瓷粉作为陶瓷化材料，研究了镁合金表面陶瓷化工艺。在铸件表面形成了厚度40~200μm的陶瓷层。重点研究了真空度和浇注温度对陶瓷层与基体之间结合界面的影响：较大的真空度可以使涂料层紧实，得到的陶瓷层更加致密；高的浇注温度可以使模样裂解成小分子物质，在较大的负压下顺利排出型外，从而提高界面的结合强度。研究表明：浇注温度为760℃~780℃，真空度－
　　 0.06MPa 时，获得结合界面较好。考察了金属液充型前沿、浇道位置以及消失模涂料对陶瓷层形成过程的影响。采用微观分析手段对结合界面进行线扫描分析，揭示出陶瓷层与基体之间的结合方式是机械结合。表面陶瓷层与基体的结合强度为4.5MPa。将陶瓷层在3.5Wt.％NaCl 水溶液中进行电化学实验，腐蚀电位提高了400mv，腐蚀电流下降了3个数量级，从而使镁合金的防腐性得到提高。
　　 在以上研究成果的基础上，进一步在镁合金铸件表面制备了合金化/陶瓷化的复合保护膜，在陶瓷层和镁合金基体之间形成具有较高耐腐蚀性的合金化区域，使铸件具有双重耐腐蚀保护。复合层的厚度为400μm 左右，防腐性能比单独合金层的耐蚀性明显提高，与单独的陶瓷层相当，但陶瓷层与合金层的结合强度达到5.5MPa，提高了将近20％。通过对陶瓷粉与不同基体之间润湿性的分析，发现随着镁合金中铝含量的提高，润湿性增加，陶瓷层与基体的结合强度也随之提高。研发了适用于镁合金的特种消失模铸造转移涂料，在实现表面改性的同时，大大提高铸件表面光洁度和平整性。
　　 最后，研究了在镁合金表面制备合金化/陶瓷层的机理，提出合金化过程分金属液充型、颗粒熔化、扩散反应三个阶段，合金层是合金化涂料与金属熔体之间传热、传质相互作用的结果；陶瓷层与熔体之间未发生扩散，而是在热作用下形成。通过分析合金化/陶瓷层的形成过程，建立了表面合金化过程的动力学模型和陶瓷层的形成过程模型。该研究成果对镁合金的表面防腐技术研究具有重要的学术价值和实际意义。

目录

文摘

英文文摘

1 绪 论

2 实验材料及方法

3 消失模铸造镁合金表面合金化研究

4 消失模铸造镁合金表面陶瓷化研究

5 消失模铸造镁合金表面复合化研究

6 结论与展望

致 谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间已发表的论文