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消失模铸造镁合金铸件表面改性研究

发布日期:2017-06-30 来源: 本网 查看次数: 309 作者:admin

核心提示:  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11~41.因此,研究新的表面防腐技术

  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11~41.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。

  采用铸造法对铸件进行表面改性,工艺简单不需要特殊设备,在烧注过程中直接完成。OlivierBeort等151利用压力铸造工艺制备了高体积分数SiC颗粒强基金项目:国家自然科学基金(50775085)化铝基复合材料,并且研究了在预制块与熔体界面加入Mg对界面组织的影响,以及加入Cu、Zn对复合材料层强度的影响。D.Coupard等16在利用压力铸造工艺制备CuSm2合金为基体材料的复合材料,重点研究了制备预制块时粘结剂的种类和石墨、铝粉的体积分数,认为二者对铸渗层质量有很大影响。LMPeng等171在施加压力为0.93MPa的条件下制备Si3,-Al基复合材料,结合界面最高断裂强度可以达到8.2MPa研究了压力铸渗下气孔的控制及复合材料的界面反应,认为反应程度随着铸渗温度的提高而增加。本文利用消失模铸造工艺,采用一定的真空度来增大熔融基体的浸渗驱动力,在镁合金的表面通过液-固相反应制备复合层。在相关研究的基础上八用金属铝粉作为合金化材料匕一-乙打一-心之。

  系低温玻璃粉为陶瓷化材料,最终在铸件表面获得合金化/陶瓷化复合层。

  1试验1.1试验材料基体材料选择AZ91D镁合金,其化学成分w(%)镁;选择金属铝粉作为合金化材料,铝粉颗粒尺寸为0.15mm,选择PbO-ZnO-Na2系低温玻璃粉作为陶瓷化材料,分别配制合金化、陶瓷化涂料进行镁合金铸件表面复合改性研究。

  1.2表面复合层的制备用既定的泡沫制备模样,其尺寸为50mmX70mmX50mm,直烧道尺寸为冷胶粘接成形。在泡沫模样表面均匀涂刷制备好的特种涂料,首先在模样表面涂刷一层由铝粉配制的合金化涂料,等其干燥后,在合金化涂料表面涂刷由低温玻璃粉制备的陶瓷化涂料。每一次涂料的厚度根据要求和其他工艺参数来确定。最后浸涂消失模涂料,在50°C烘干,用于浇注试验。工艺参数为:镁合金的浇注温度800真空度一0.06MPa在高温下浇注,聚苯乙烯模样发生软化,裂ft解熔融的金属液首先与表面的合金化涂料接触,涂料中的粘结剂受热燃烧,金属铝粉熔化并向基体扩散,熔化的铝粉和基体中的镁发生反应生产金属间化合物,形成合金化层。然后外层的低温玻璃粉在热作用下熔化,随着温度下降会在铸件表面形成一层陶瓷层,并且与合金层之间结合良好。复合层形成原理图及最终铸件表面组织示意图如。

  铸件表面制备的复合层通过扫面电镜进行观察,分析表面合金层组织特征、陶瓷层形貌。线扫描和能谱测试用于分析表层至基体主要元素分布情况,揭示复合层的形成过程和影响因素。显微硬度的测量在HV-1000型显微硬度计上进行。

  2试验结果及讨论2.1铸件表面复合层组织结构不同涂料厚度条件下浇注得到的铸件表面复合层微观结构。通过在模样的表面涂刷合金化和陶瓷化两层涂料,等铸件凝固后在表面分别形成合金层和陶瓷层的复合层。当涂料厚度不同时,得到的复合层形貌也有所区别。a是模样表面合金化、陶瓷化涂料厚度分别为0.2、1.5mm得到的复合层组织结构,在表面得到200Mm左右厚度的陶瓷层,在陶瓷层与基体之间形成合金化层。当涂料厚度发生变化时,铸件表面的陶瓷层厚度与合金化层中第2相体积分数随之也发生变化,如b.当合金化涂层较薄时,由于熔体潜热可以使涂料中的金属铝粉充分熔化,并且在高温状态下保持的时间较长,因此熔化的铝粉可以在基体中长距离的扩散,并且和熔融的基体发生反应生成第3相,在生成第2相数量一定的情况下,扩散越充分,第2相在表层基体上的分布就越疏松。当合金化涂料完全熔化后,热量就会传递给外层的陶瓷涂料,低温的玻璃粉达到熔点后熔化,然后和合金层形成结合界面。当合金化涂料增厚时,浇注温度不变,合金化涂料完全熔化需要较多的热量,因此熔化的铝粉在高温下停留时间缩短,并且金属铝粉的质量增加,生成第2相也随之增加,所以在合金化层中第2相的体积分数就明显提高。最后外层的低温玻璃粉在余热作用下熔化,最终在铸件的表面形成一定厚度的陶瓷层。制备复合层时,根据不同的工艺参数,应适当的调整合金化、陶瓷化涂料的厚度,涂料太薄,生成的复合层不能给基体提供保护,太厚会导致涂料熔合不充分,生成的复合层质量较差。

  2.2铸件表面复合层成分分析为了研究从表面陶瓷层、合金层至合金基体各元素的分布变化,对复合层进行线扫描分析,如所示。陶瓷层成分以PbO-ZnO-Na2O系低温玻璃粉为主,主要含有O、Na、Zn、Pb元素,在陶瓷层与合金层的结合界面处,氧元素含量明显提高,主要是由于在界面含有一定量的氧化物夹杂。从镁、铝元素分布曲线看,除了铝元素在界面附近有少量的向陶瓷层扩散外,镁元素几乎没有向陶瓷层扩散,在界面处成分发生突变。然而,从陶瓷层至合金层的转变过程中,发现低温玻璃粉的成分没有发生突变的现象,这可以从Pb、Zn、Na元素成分分布曲线看出,特别是Pb、Zn元素的变化趋势是一个逐渐降低的过程。这说明在表面复合化的过程中,外面的陶瓷涂料在熔化后,向合金层扩散,使界面实现冶金结合,这有利于提高界面的结合强度。I不同合金化涂料厚度制备的复合层表面复合层成分线扫描复合层XRD分析Fig.消失模的铸造虽然工序简单但金属液体充型的过程很难控制,特别是表面复合化过程中诸多因素的影响。如果工艺控制不当就会带来很多缺陷,如中所示,主要原因有两个方面:一方面是在充型过程中,低温玻璃粉受到冲刷,被卷入熔体中形成夹杂,另一方面是由于浇注温度较高,镁合金很容易氧化,氧化物一旦卷入到熔体当中,凝固后就成为夹杂。因此,如果制备高质量的复合层,工艺必须严格控制,降低涂料冲刷以减少缺陷,控制熔体氧化,浇注时彻底排渣,避免氧化夹杂在浇注过程中卷入熔体。总之消失模铸造工艺的控制必须有一定工艺设备作为前提,然后再通过控制工艺参数来获得较佳的结果。

  是表面复合层的XRD分析,AZ91D镁合金基体主要有a-Mg与P-vAlnMgn组成,而合金层除了原来的相,还新生成AbMg2、Al、MgZn相,这主要是因为在合金化的过程中,金属液与合金化涂料接触并使其熔化,在界面处铝含量较高,由Mg-Al二元相图可知,主要生成的产物为AbMg2、Al,在铝含量较低的地方生成金属间化合物P-AlMg,如a.b是表面陶瓷层的XRD衍射分析,结果表明低温的玻璃粉在受热后发生晶化现象,生成多种氧化物相,从热力学角度看,非晶态处于较高自由能的亚稳状态,在适当的条件下,必定向能量较低的亚稳非晶态或能量更低的平衡晶态转变。因此外层的低温玻璃粉预制层在受到金属液体的传热后,使体系的能量降低向晶态转变,在铸件表面生成由氧化物组成的陶瓷层。

  2.3铸件表面复合层性能分析所示的是不同工艺得到表层组织对应的显微硬度,表面单一合金层硬度从表层至基体的变化比较缓慢,最高达到170HV左右,逐渐降至与基体相同的硬度,形成的合金层大约300 ~500Mm厚。由于单一的陶瓷层与基体之间有明显的界面,所以硬度变化明显,直接从表面陶瓷层的硬度500HV降至基体的硬度50HV左右,最高硬度要高于复合层,这王要是由于单一的陶瓷层,陶瓷化涂料熔合充分。从图中可知,复合层的硬度变化中间有一个过渡区域,从460HV降至合金层的100HV左右,虽然表面陶瓷层和基体也形成结合界面,但中间有合金层过渡,避免了陶瓷层与基体的直接结合。

  是表面单一的合金层、复合层和未处理镁合金的电化学腐蚀行为。本。通过对每条曲线进行Tafel拟合,得到腐蚀电位(E)、腐蚀电流(1)、极化阻抗(R/(n.cm2))。参数见表1所示。从极化曲线和对其拟合的结果上可以看出,与AZ91D相比,在经过消失模铸造表面合金化、复合化后,试样的腐蚀电位明显升高,特别是复合化试样,腐蚀电位最高提升了400mV左右,腐蚀电流下降了3个数量级,极化电阻升高3个数量级,因此经复合化处理后试样耐蚀性显著提高。

  表1不同工艺下试样的动电位极化曲线参数试样合金层复合层3结论利用消失模铸造工艺,用金属铝粉作为合金化材料,PbO-ZnO-Na2O系低温玻璃粉为陶瓷化材料,真空度一0.06MPa800°C条件下浇注,在铸件表面获得合金化/陶瓷化的复合层,合金层主要形成P-Al12Mg17、Al3Mg2合金化合物,陶瓷层由多种氧化物组成。

  复合层显微硬度从表面陶瓷层的460HV降至合金层的100HV左右,再降至基体硬度,硬度变化有合金层过渡区域。由合金层连接陶瓷层和基体一定程度上可以提高界面的韧性。

  镁合金经过消失模铸造表面复合改性后,铸件的腐蚀电位提升了400mV,腐蚀电流下降了3个数量级,大大提高了镁合金的耐蚀性。

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