镁合金表面处理工艺研究.doc

xx大学毕业设计（论文）开题报告
课题名称
镁合金表面解决工艺研究
学院名称
机械学院
专 业
机械类
班级

学生姓名

1、本项目的目的和意义
镁及其合金是有色金属材料中最具有开发和应用发展前程的金属材料。
镁是一种轻质结构材料，质量为铝的2／3，钢铁的1／4。与钢、铝、塑料等工程材料相比，镁合金具有比强度和比钢度高，电磁屏蔽性能好，无磁性；无毒、可回收；极好的切削加工性能，极高的压铸生产率，尺寸收缩小，并且具有优良脱模性能，且加工成本低，尺寸稳定性高；具有超导和储氢性能；耐印痕性；良好的低温性能和导热率高等优点；镁还具有良好的导热、导电性、尺寸稳定性、电磁屏蔽性、机加工性能以及再循环运用的性能；镁弹性模量低，约45 GPa，减震性能好，适合于做承受剧烈振动的零件；镁合金压铸件比重小，比刚度大，铸造性能，机械加工性能和阻尼性能好。这些特性可使其成为汽车工业、航空工业及电子工业中首选的结构材料，因此具有良好的社会效益和经济效益。
虽然镁合金具有以上诸多优点，并在许多领域具有广泛的应用前景，但也存在一些限制其进一步应用的因素，重要涉及以下三个方面:
(1)镁及其合金晶体结构为密排六方结构，决定了镁及其合金的塑性低，物理性能和力学性能均有明显的方向性，在室温下变形只能沿晶格底面进行滑移，单一的滑移系导致其压力加工变形能力低。
(2) 常用的AZ, AM 系列镁合金通常的使用温度为95°C ~120°C，超过这一温度范围，合金的蠕变强度随着温度的增长而大幅度下降，限制了它在耐热部件、如汽车发动机部件和传动机构等零部件方面的应用。
(3)限制镁合金广泛应用的最大障碍是镁合金的耐腐蚀性能较差。镁的平衡电位为一2．37 V，很容易发生氧化反映。镁在海水中的稳定电位为一1．6一一1．5 V。镁在空气中与氧可以形成一层很薄的氧化膜，但氧化膜疏松、多孔，PB比为O．99 < l [PB比即Pilling—Bed-worth原理：氧化膜具有保护性的必要条件是，氧化形成的金属氧化膜的体积(VMO)比生成这些氧化膜所消化的金属体积(VM)要大，即 VMO：VM > 1],不能形成有效稳定的保护膜，导致镁合金的腐蚀反映可以连续发展下去。镁合金的耐蚀性差，是限制镁合金应用的重要因素。

2、国内外研究进展
镁合金作为一种发展迅猛的绿色环保合金材料，在世界各国对能源和环境保
护日益重视的背景下，成为目前国内外重新结识并积极开发的一种新型环保材
料，被认为是21世纪最具开发和应用潜力的“绿色材料”。
长期以来，由于镁的价格偏高、镁合金熔液易于氧化燃烧和镁合金材料的耐
蚀性差等限制了其在民用工业的大规模应用。进入20世纪90年代后，随着镁冶
炼技术的不断提高，镁及镁合金的价格迅速下降，镁合金熔液保护技术更加成熟，
高纯镁合金材料耐蚀性的大幅度提高，以及人们对能源和环境保护的高度重视，
镁合金成为迅速崛起的一种工程材料，用量每年以15％的速率保持快速增长，远
远高于铝、铜、锌、镍和钢铁的增长速度，这在近代工程金属材料的应用中是前
所未有的。
目前国内外有大量的镁合金表面解决方法，一些方法已经在工业上得到小量的商业应用，但大多数方法还处在探索和改善阶段。重要分表面改性和表面涂层解决技术。
2. 1 表面改性技术
2. 1. 1 电子束物理气相沉积（EB-PVD）
电子束气相沉积是以电子束为热源的涂层工艺，通常是在真空状态下，运用品有高能量密度的电子束轰击靶材使之熔化、蒸发，并在基体上沉积形成涂层。该技术自1907 年首项专利产生以来有了很大发展。在该工艺中为了使蒸发物分子到达基体前的初动能但是多损失，以保证涂层质量的均匀性，一般保持蒸发距 小于自由程，即蒸发粒子在到达基体的过程中几乎不与其他粒子发生碰撞。
电子束物理气相沉积应满足如下几点：第一，涂层沉积在真空状态下进行，有助于防止基体与涂层材料的污染和氧化；第二，选择较好的工艺参数，可以得到与蒸发材料的成分相同和元素含量基本一致的涂层；第三，冷却速度快、气相固化快。通过控制离子束参数和添加其他合金元素还可得到高结晶度、高强度的合金表面。
2. 1. 2 化学转化膜解决
镁合金的表面会生成一层自然氧化膜，在pH 值为11. 5 的溶液中生成的是Mg（OH）2膜，但这两种膜都起不到保护作用，这是由于所形成的氧化膜的体积与所消耗镁原子的体积比为0. 79。
化学转化膜能提供比自然形成的保护膜更好的保护效果，更重要的是，使表面膜从碱性转变为中性，使进一步的涂装保护变得更容易。化学转化膜解决方法常用的有2 类：一类以磷酸盐作成膜剂，另一类以铬酸盐作成膜剂。目前技术较成熟的化学转化膜解决方法是铬酸盐解决，用以铬酐和重铬酸盐为重要成分的水溶液进行化学解决获得保护膜。
2. 1. 3 阳极氧化
阳极氧化是运用电解作用使金属表面形成氧化膜的过程，是一种特殊的化学转化膜。这种膜不仅包含了合金元素的氧化物，并且还包含了溶液中通过热分解并沉积到镁合金工件表面的其他氧化物。
阳极氧化工艺根据氧化解决液的成分分为酸性和碱性氧化液。初期的阳极氧化解决是用含铬化合物的解决液，典型的如初期DOW17、Cr 22 及后来的HAE 工艺、脉冲阳极氧化等进行的镁阳极氧化解决。后来逐渐发展了解决液以磷酸盐、高锰酸盐、可溶性硅酸盐、硫酸盐、氢氧化物和氟化物为主的无毒阳极氧化。张永君等开发了一种无铬、无磷、无氟的绿色环保型碱性电解液，通过阳极氧化～冷水漂洗～封孔～冷水漂洗～热风吹干工序，在高纯镁、压铸镁合金AZ91D 和AM60B 表面形成了一层外表美观的银灰色均匀光滑膜
2. 1. 4 加弧辉光等离子表面解决
加弧辉光等离子表面解决技术是在双辉离子解决技术基础上通过引入冷阴极电弧源而研制出的一种新型离子渗金属技术。它发挥了辉光和弧光离子渗金属的优势，使离化率和沉积速率大大提高，可通过控制镁合金的退火温度、调整工艺参数，形成镀渗复合层。
加弧辉光等离子表面解决技术的基本原理是：通过引弧电极触发引燃电弧，在阴极弧靶的表面产生高温、高压、高电流密度、小体积并可迅速运动的高密度等离子体阴极弧斑。等离子体发射出阴极斑点之后向空间扩散，大量斑点发射出的等离子体流在阴阳极间形成高能量（20 -100eV）、高速度（103 - 105m/s）及高离化率（70% - 80%）的欲镀金属离子流，在工件负偏压的作用下高速轰击工件。同时，辅助源极辉光放电产生的欲镀金属离子流也辅助轰击工件，使工件迅速加热到渗金属解决所需的温度。由于欲镀金属离子的高速轰击，工件表面产生大量的晶体缺陷，金属粒子借助于轰击和扩散过程渗入工件内部，形成均匀的扩渗金属层。
2. 2 表面涂层解决
表面涂层解决技术是研究得比较多的方法，表面涂层又重要分为有机及特殊涂层和金属涂层。有机及特殊涂层采用环氧树脂、乙烯树脂、聚氨酯以及橡胶等材料获得有机涂层防护膜。在镁合金上涂覆油、油脂、油漆、蜡和沥青也可作为短时间防护解决的一种方法。金属涂层重要是在镁合金基体表面涂覆上一层金属，重要有电镀涂层和化学镀涂层两种方法。
2. 2. 1 合金表面喷涂纳米和陶瓷涂层材料
纳米表面工程技术是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，使固体材料表面纳米化；或直接在固体表面形成具有纳米结构的涂层的一种先进的系统工程，而镁合金表面喷涂纳米材料就是这样一种涂层系统。它可以是由单一纳米材料组成的涂层材料，也可以是由两种或多种纳米材料组成的复合纳米体系。从已有的研究结果看，用热喷涂技术制备纳米结构涂层，无论其结构如何变化，与传统涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧度、抗蚀、耐磨、抗热疲劳等方面均有显著提高。
运用等离子弧喷涂的方法，在镁合金表面形成陶瓷涂层可以提高表面的硬度、耐磨性及耐腐蚀性能。在镁合金表面喷涂的重要是金属陶瓷如ZrO2、CrO、AI2O3 + TiO2、MgO 等。
2. 2. 2 激光辅助热喷涂工艺
由于镁的化学活性相称高，因此重新氧化的时间非常短，这给镁合金的解决带来了极大的困难。因此可采用激光辅助喷涂工艺。激光辅助热喷涂工艺是把待喷镁合金基体的表面清理和热喷涂结合为单一的工序，不再需要传统的脱脂、除氧化层和活化工序 。
激光辅助热喷涂工艺潜在的用途非常大，从气轮机叶片到电机零件，从印刷业、纺织业和造纸业到航空业和能源部门等许许多多的领域，都可充足发挥激光辅助热喷涂 工艺的优越性。但是该种方法仍然有一些不完善的地方和缺陷，如采用激光辅助热喷涂工艺对涂层和基体间的互相作用及产生高结合强度的机理尚未完全澄清；激光辅助热喷涂工艺的激光熔化等设备成本高，维护困难；激光辅助热喷涂工艺解决的零部件几何外形受到严格的限制，因此在规模化和工业推广化方面存在一些障碍。
2. 2. 3 表面电镀
镁合金表面电镀是合金表面在液相中沉积出具有相称防腐能力和导电性能的光亮合金层，这层均匀的合金膜提高了镁合金表面的硬度、耐擦伤性、耐蚀和耐磨性。电镀基本流程如下：清洗～浸蚀～活化～浸锌～氰化镀铜～电镀。
此外，尚有将一种或数种不溶性的固体颗粒、纤维均匀地杂在电镀液中，而后在电场作用下共同沉积到合金表面从而形成一种特殊镀层的工艺。以超硬材料如金刚石作为分散颗粒就可以形成金刚石复合镀层，以纳米材料添加于金属镀液中就可以形成纳米复合镀层，同样也可以形成纳米金刚石复合镀层。电镀是镁合金表面解决的一种较好方法，因其工艺设备简朴，流程简易可行，可以在工业上规模推广。
2. 2. 4 直接化学镀镍
化学镀重要是运用合适的还原剂使溶液中的金属离子有选择地在经催化剂活化的表面上还原析出成金属镀层的一种化学解决方法。由于镁合金的化学活性相称高，表面解决非常困难。针对这种情况，发明了一种新的前解决方法，直接在镁合金表面化学镀镍，得到的镀层均匀、结合力良好，解决流程如下：清洗～除油～碱蚀～酸活化～碱活化～碱性化学预镀镍～酸性化学镀镍。该方法的缺陷是采用酸性化学镀镍溶液，一旦底层存在孔隙，会导致基体镁的点腐蚀。
同其它表面解决方法相比，镁合金化学镀投资相对较少，获得的镀层功能多样性可以满足各方面的需要。缺陷是化学镀及前解决过程经常采用铬的化合物、氰化物以及含氟化合物，引起的环境问题促使我们开发绿色环保工艺以适应新时代的需要。化学镀获得的镀层均匀，但镀液使用寿命较短、废液较多，且操作条件比较苛刻，须严格控制。

20世纪70年代以来，各国特别是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了
越来越严格的限制，1993～1994年欧洲汽车制造商提出“3L汽油轿车"的新概
念。1996年德国教育部投资2400万马克，由阿伦工业大学、慕尼黑工业大学、
杜易斯堡大学、多特蒙德大学以及大众汽车公司等44家单位展开了针对汽车轻
量化、代号为“MADICA"的联合攻关项目。日本通过了“家电回收法"以限制
工程塑料的使用，率先将镁合金用于制造笔记本电脑、移动电话、摄像机、数码
相机，并正在计划将其推广到电视、投影仪、音响等电子和通讯器材上。美国制
定了PNGV(新一代交通工具伙伴)的合作计划，其目的是生产出消费者可承受
的每100km耗油3L的汽车，且整车至少80％以上的零件可以回收这些规定迫使
汽车制造商采用新材料、新工艺和新技术，生产质量轻、耗油少、符合环保规定
的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10％，其燃油效率可提高5．5％。假如每
辆汽车能使用70kg镁合金，C02的年排放量就可以减少30％以上。镁合金作为
实际应用中最轻的金属材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到了人们
的重视。
世界各大汽车公司已经将镁合金制造汽车零件作为总要发展方向。在欧美国
家中，各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为汽车技术领先的标
志。大众，奥迪和菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。在未来的七八年中，欧洲汽
车制造业使用镁合金将占镁消耗总量的14％，预计此后将以10％-20％的速度递
增，2023年将达成20万吨。
美国、欧洲、日本等发达国家投入大量人力和物力，实行多项大型联合研究
发展计划，研究用镁合金制造汽车零部件，这将极大促进镁合金在汽车上的应用。
目前镁合金压铸汽车零部件至少已超过60种。例如，已经使用并在近期推广的
零部件有赛车轮毂、仪表盘、座椅骨架、变速箱壳体、转向系统、气缸罩盖、进
气歧管、大的车体外部件、支撑住、发动机箱体。其中，安装安全气囊的汽车都
开始改用镁合金转向盘骨架，这即可减轻重量，又可减少振动，在发生意外撞击
时，镁合金可吸取更多的能量，有助于驾驶员的安全。
汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金在生产技术中的发展，镁合金
的使用成本也大幅下降，从而也促进了镁合金在计算机、通信、仪器仪表、家电、
医疗、轻工业等行业的应用和发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和
仪器仪表行业。电子信息行业中由于数字化技术的发展，市场对电子及通信产品
的高度集成化、轻薄化、微型化和符合环保的规定越来越高。工程塑料曾作为这
些产品的重要材料，但其性能终究无法同金属相比。例如，镁合金具有优异的薄
壁铸造性能，其压铸件的最小壁厚可达0．5ram，并保持一定的强度、刚度和抗撞能力，这些非常有助于产品超薄、超轻和超微型化的规定。这是工程塑料，甚至铝合金所无法达成的。在产品薄壁、微型和抗摔撞的规定下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成为电子通信产品生产厂家的最佳选择。此外，镁合金外壳可使产品更豪华、更美观，这也是工程塑料所无法比拟的。在电子信息和仪器仪表行业，镁合金制品的单件重量和尺寸都远不如汽车部件，但它的数量大、覆盖面大，其用量也是不可忽视的。近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增长，成为镁合金应用的一个引人注目的发展方向。
随着镁合金产量的不断提高，价格的不断减少，镁合金的一些其他用途也更
加引起了人们的注意。用镁合金作为牺牲阳极是有效防止金属腐蚀的一种重要方
法，现已广泛应用于长距离输送底下的钢制管道、石油储罐、海洋钻井平台和码
头等设施。目前用作牺牲阳极的镁合金每年有3-4万吨。镁合金型材、管材，
以前重要用于航空、航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术
水平的提高，其生产成本有也许下降到与铝合金相称的限度，这会极大地刺激其
在民用领域的应用。例如，可用其制作其行车架、医疗器械、健身器材、照相机
壳、自行车、网球拍和航空器上的通信设备等产品。
中国是镁的资源大国、生产大国和出口大国，但却不是镁的“强国”。之所
以不强，就在于中国有关镁合金的开发、研究还没有真正的开展起来，更没有形
成镁合金的深加工和应用的产业。中国在十五计划中，也将有关镁和镁合金的开
发、应用与产业化列入了国家科技攻关计划和“863"计划。这显示着中国镁的
开发和应用已经开始进入了一个新的发展时期，正朝着健康、强大、可连续发展
的目的迈进。
3、课题的重要研究内容、研究方法环节
1）玻璃纤维废丝及其低温烧结剂的设计和筛选
2）基于改性玻纤废丝的镁合金消失模涂层设计
3）镁合金、玻璃纤维废丝复合防腐层结构分析
4、本项目创新之处
1）将玻璃纤维废丝引入到镁合金轻合金成型领域，对镁合金消失模铸铸件金属表面进行玻璃纤维功能层解决的过程是一个崭新的尝试。
2） 将超细粉体技术和玻璃纤维废丝低温烧结技术等引入镁合金表面防腐领域，建立其反映热力学和动力学模型，在学术上具有重要的理论创新价值。
5、研究工作计划与进度安排
2023.12.20～2023.2.22 资料收集、查询、整理和归纳，完毕开题报告;
2023.2.23～2023.3.19 毕业实习;
2023.3.20～2023.3.28 实验方案分析、拟定;
2023.3.29～2023.4.21 购买实验材料，做实验;
2023.4.22～2023.5.8 实验数据记录与分析;
2023.5.8～2023.5.23 完毕论文，中英文资料翻译。
6、 参考文献
[1]张丁非, 崔立波, 刘渝萍, Zhang Dingfei, Cui Libo, Liu Yuping - 《稀有金属材料与工程》 2023年7期；
[2]王增辉, 卫中领, 李春梅, 陈秋荣, WANG Zeng-hui, WEI Zhong-ling, LI Chun-mei, CHEN Qiu-rong - 《电镀与涂饰》 2023年8期；
[3]姚军, 孙广平, 贾树盛 - 《焊接技术》 2023年6期；
[4]刘志远, 邵忠财, LIU Zhi-yuan, SHAO Zhong-cai - 《电镀与涂饰》 2023年11期；
[5]徐光晨, 陈翌庆, Alan LUO, Anil.K.SACHDEV, XU Guang-chen, CHEN Yi-qing, Alan LUO, AnilKSACHDEV - 《中国有色金属学报》 2023年4期；
[6]徐丽， 2023 - 北京交通大学：材料加工工程；
[7]梁春林, 刘宜汉, 韩变华, 李红兵, 吉海滨, 姚广春, LIANG Chun-lin, LIU Yi-han, HAN Bian-hua, LI Hong-bing, JI Hai-bin, YAO Guang-chun - 《表面技术》 2023年6期；
[8]王莹, 张津, 麻彦龙, 吴超云, WANG Ying, ZHANG Jin, MA Yan-long, WU Chao-yun - 《表面技术》 2023年6期 ；
[9]高波, 郝胜智, 董闯, 周继扬 - 《材料保护》 2023年10期；
[10]王艳珍, 王淑敏 - 《江西化工》 2023年5期；
[11]张勇, 张泰峰, 赵维义, 朱武峰, ZHANG Yong, ZHANG Tai-feng, ZHAO Wei-yi, ZHU Wu-feng - 《青岛理工大学学报》 2023年4期；
[12]沈远香, 黄晓霞 - 《四川兵工学报》 2023年5期；
[13]Revue de Metallurgie: Cahiers d'Informations Techniques, 1997 12
[14]Bin-Hong Liu, Zhou-Peng Li - Journal of Alloys and Compounds: An Interdisciplinary Journal of Materials Science and Solid-state Chemistry and Physics, 1999 0
[15]Xu L, Pan F, Yu G, Yang L, Zhang E, Yang K - Biomaterials, 2023 8
[16]Rettig R, Virtanen S - Journal of biomedical materials research, Part A, 2023 2
[17]Gu X, Zheng Y, Cheng Y, Zhong S, Xi T - Biomaterials, 2023 4
[18]Materials Science and Technology, 1996 12
[19]Zhang Y, Zhang G, Wei M - Journal of biomedical materials research, Part B. Applied biomaterials, 2023 2
[20]Fedoruk-Wyszomirska A, Szymanski M, Wyszko E, Barciszewska MZ, Barciszewski J - The Journal of Biochemistry, 2023 4