專利名稱：鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結構及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于鎂合金技術領域，具體涉及對鎂合金進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構以及制備工藝。
背景技術：
鎂及鎂合金具有密度低、比強度高、加工焊接和阻尼性能良好及尺寸穩定、價格低廉等優點而受到人們的重視及廣泛應用，目前已成功地應用于航空、汽車制造和電子等領域。鎂的化學性質很活潑，其標準電極電位只有-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性的氧化膜，但這種膜很脆，不致密，遠不如鋁合金氧化膜堅實，故耐蝕性很差。這使鎂合金的應用受到很大的限制。
為了提高鎂合金的耐腐蝕性能，國內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的表面防護技術，如陽極氧化處理，化學鍍鎳，環氧樹脂密封，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，電鍍和陽極氧化均存在受設備尺寸限制和排放廢液污染的問題。因此，世界各國相繼開展了鎂合金表面等離子微弧陽極氧化、激光表面熱處理和激光表面合金化以及物理氣相沉積、化學氣相沉積或電子束蒸發等表面處理方法的研究，這些現代的鎂合金表面改性技術利用設備優勢可以得到表面處理優異的防蝕層，但除微弧陽極氧化只須簡單的電源(要求高電壓和高電流，生產成本高)以外，其他技術均須特殊的昂貴設備或需在真空等苛刻的條件下進行，除航空航天或軍事等高附加值領域的特殊部件能夠采用這些技術外，其他領域的產品難以承受這樣高昂的成本，因此其市場前景受到了一定的限制。

發明內容
本發明的目的在于針對現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構以及制備工藝，在鎂合金表面獲得較厚、結合較好、強度較高、耐蝕性優良的涂層，提高鎂合金表面的耐腐蝕性能，工藝簡單，制造成本低。
本發明采用以下技術方案本發明提供的鎂合金成型制品鋁鋅系表面耐蝕涂層結構組成如下它首先具有鎂合金基礎材料層，然后在該鎂合金基礎材料層之上結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合有通過熱噴涂形成的Al涂層。
該涂層結構的獲得工藝包括以下步驟首先，進行熱噴涂預處理，即采用噴砂對鎂合金基礎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，如果預處理不加以除去，將會導致熱噴涂的Al-Zn系合金中間層與基體結合力降低，同時基體表面的雜質也將影響噴涂材料與基體的結合力，因此首先需對基體表面進行上述的預處理。
然后，用熱噴涂槍在鎂合金基礎材料層表面熱噴涂Al-Zn系合金作為中間層。設計該中間層的原因是純Al的熔點660.24℃，而鎂的熔點為650℃，鋁及鎂的合金熔點相近，又由于鎂易燃燒，所以為鋁鎂的熔敷和擴散工藝造成較大的難題。而Zn的熔點只有419.5℃，Al-Zn，MgZn及Al-Mg-Zn共晶的熔點則還要低，有利于擴散層的形成及涂層結合強度的提高。此中間層的加入可作為梯度材料，其加熱時易和基體形成低熔點的MgZn，MgZn2共晶，同時又可和表層的Al涂層形成Al-Zn及Al-Mg-Zn三元共晶，這種涂層因含Zn所以耐環境中的堿性物質的浸蝕，而環境中的酸性及硫和硫化物則靠Al涂層防腐。
進一步，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，并且兩者結合性能優良，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，對基體鎂合金起到很好的保護作用。
之后，在進行低溫擴散處理，擴散溫度在200-430℃，擴散時間根據需求而定，在1-20小時。由于表面的噴鋁涂層存在微孔，具有一定的孔隙率，當環境中的O2-、Cl-、和SO22-等酸性離子穿透這些孔隙將會導致鎂基體的腐蝕。如果將涂層經重熔處理，可消除涂層中氧化物夾雜和孔隙，層狀結構變為均質結構，基于此原理，為了提高涂層與基體的結合力以及使鎂鋁能夠充分擴散融合，進一步提高其耐蝕性，就需對表面噴鋁的鎂合金制品進行低溫熱擴散。擴散溫度的選擇主要是根據Mg-Al及Mg-Al-Zn相圖以及擴散理論而確定的。當擴散溫度高時，擴散所需時間短，涂層表面會出現半融合狀態，涂層致密性好，但表面的光潔度會受到一定的損失，如果是薄壁件，鎂合金基體容易發生變形，對零件本身產生不良影響；當擴散溫度低時，所需擴散時間要長一些，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，根據工件服役條件的不同，通過調整確定擴散溫度和擴散時間得到噴涂擴散的最佳效果。當擴散溫度過低時，擴散所需時間太長，且二元相的生成非常困難，涂層與基體的結合力會受到很大的影響，達不到擴散的目的要求。
進一步，還可對制品表面進行封閉處理或涂裝處理。可采用聚氨酯環氧漆刷涂封閉處理，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生的凹坑。此處理可根據零件制品服役情況安排進行，可以在上述所有涂層熱噴涂工序完成以后進行，也可以在熱擴散后進行。熱噴涂鋁之后如果表面要求非常光滑需拋光，則可不進行封閉處理。為了延長防護體系的使用壽命和出于美觀考慮，也可在表面進行涂裝處理。
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行，最長間隔時間不超過4小時，如環境空氣濕度太大，則不可進行噴涂，要保持工件表面濕度至少比露點溫度高3℃以上，才可進行噴涂。
本發明的顯著優點在于在鎂合金制品的表面形成一層牢固的冶金結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。本發明工藝簡單，制造成本低。
通過對上述鋁鋅系表面耐蝕涂層結構進行熱震試驗表明，涂層與基體結合牢固，已大大超過標準規定的要求數值；通過硬度測試，測得表面硬度可比基體硬度提高三分之一；通過鹽霧腐蝕實驗，加速鹽霧腐蝕實驗時間不低于1000小時，經過3000小時表面未見腐蝕，證明本結構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構的涂層結構示意圖。
具體實施例方式
以下通過實施例來進一步詳細說明本發明的內容。
實施例1首先，選擇待處理的鎂合金工件，對其進行表面預處理，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，然后經噴砂設備處理，再次去掉深層次的氧化物，同時使表面新鮮化，便于噴鋅鋁層與之有較好的結合。噴砂完畢后，立即進行熱噴涂處理。
用熱噴涂槍在鎂合金基礎材料層表面熱噴涂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化組織的元素或稀土元素。采用熱噴涂槍，工藝參數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；保護氣體1.5m3/h。噴涂時間，噴槍和工件的距離及移動速度，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℃，進行低溫熱擴散。
最后，對工件根據需要進行封閉處理或涂裝處理。
所獲得的涂層結構如圖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。
權利要求
1.一種鎂合金成型制品的鋁鋅系表面耐蝕涂層結構，其特征是在鎂合金基礎材料層之上結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合有通過熱噴涂形成的Al涂層。
2.制備權利要求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)首先采用噴砂對鎂合金基礎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)進行低溫擴散處理，擴散溫度在200-430℃，擴散時間根據需求而定，在1-20小時；(5)最后對制品表面進行封閉處理或涂裝處理。
3.根據權利要求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化組織的元素或稀土元素。
4.根據權利要求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，工藝參數為氧氣0.3-0.6MPa；乙炔0.07-0.2MPa；壓縮空氣0.5-0.6MPa；保護氣體0.2-0.6MPa。
5.根據權利要求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構及其制備工藝，其結構是在鎂合金基礎材料層之上結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鎂合金基礎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；進行低溫擴散處理，擴散溫度在200－430℃，擴散時間根據需求而定，在1－20小時；最后對制品表面進行封閉處理或涂裝處理。通過本發明能在鎂合金成型制品表面獲得較厚、結合較好、強度較高、耐蝕性優良的涂層，提高鎂合金表面的耐腐蝕性能，工藝簡單，制造成本低。
文檔編號C23C4/08GK1598035SQ20041004036
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月30日 優先權日2004年7月30日
發明者張津, 孫智富, 王瑩 申請人:重慶工學院