铸造镁合金表面处理现状及发展趋势

刘延涛 宋瑞芹 安丰发 王青峰

关键词：铸造镁合金材料 表面处理 现状 发展趋势

伴随着我国社会的进步和经济的发展，各种设备仪器的精密度要求在不断地提高。铸造镁合金材料有着非常优良的切削加工性能和铸造性能，能够广泛应用于航天航空和汽车等对精度高要求的行业，特别是目前我国对航天航空行业以及汽车行业有轻量化的需求，这也为铸造镁合金材料提供了发展契机。但要想更有效地去满足这些行业的要求，需要我们提高制造工艺的质量和要求。

对于铸造镁合金材料而言，怎样去提高铸造镁合金的强度、硬度、抗腐蚀性、耐热性和耐磨性已经成为目前材料学中的一个重要课题内容。但是目前我国铸造镁合金材料表面处理技术还存在很多的问题，例如铸造镁合金材料容易受到腐蚀，若是这一问题得不到有效解决，将会极大程度地影响到铸造镁合金材料的广泛应用。为此，本文对铸造镁合金表面处理的现状以及发展趋势进行探讨。

1铸造镁合金材料的种类

1.1Mg-AI-Zn系列合金

A291、AS21、AE42、AM60、ZM5、AS41等是Mg-AI-Zn系列合金最常见的种类。一般来说，在该系列的合金之中A1元素的含量要低于10%，在这个A1含量范围之中，Mg-A1-Zn系列合金材料中的液相线以及固相线会随着Al元素含量的提高而出现温度下降的情况，尤其是固相线的温度下降的速率变得比液相线更快，在这一条件下能使得镁合金材料在浇筑和熔炼时所产生的温度得到有效降低，从而降低了镁合金液氧化以及燃烧过程中损耗。但是其也存在一定的弊端，那就是由于温度变动的范围较大，使得凝固之后的铸件很容易出现松动和存在缺陷等情况。

1.2Mg-Zn-Zr系列合金

我们都知道，二元Mg-Zn合金的组织会存在粗大的情况，其对于微缩孔可能会存在敏感的情况，所以以Mg-Zn合金为组织的二元合金没有被广泛地应用在实际之中。由于Zr元素对于Mg-Zn合金为组织的二元合金有着一定的细化作用，因此其也是Mg-Zn合金为组织的二元合金做有效的细化方式。为此，将Zr元素应用在Mg-Zn合金为组织的二元合金之中能够有效应对组织存在粗大的问题，这也是为什么在目前的工业生产过程之中会在Mg-Zn合金为组织的二元合金中添加Zr元素的原因。在把Zr元素添加到Mg-Zn合金为组织的二元合金中之后，就能得到Mg-Zn-Zr系列合金，例如：ZK61A以及ZK51A（ZM1）等。这一系列的合金适合应用在一些铸件结构相对简单、需要承受较高强度和強冲击力的精密零件之中，例如飞机中的支架、轮毂以及隔框等。

1.3Mg-RE-Zr系列合金

Mg-RE-Zr系列的合金主要是耐热类型的合金，这类型的合金主要有EK41、ZE63、ZE41、EK30、EK31、ZM2、ZM3、ZM4、ZM6、E233、WE54等，该系列的合金主要是为了应用在低于200以下的发动机之中，例如发动机的整流舱、电机壳体以及发动机机匣。

2铸造镁含金材料的表面处理现状及发展趋势

伴随着人们对镁合金材料要求的提高，利用铸造技术对镁合金材料进行铸造的方式逐渐得到广泛的应用。但是镁合金材料存在负电极电位的情况，这使得镁合金材料很容易受到腐蚀，且其自身的易腐蚀性的问题尚未有效解决。而通过对镁合金材料的表面处理之后，也只能够延缓其腐蚀的速度，其自身的易腐蚀性还是得不到根本的解决，无法有效地提高镁合金材料的耐腐蚀性。此外，要想镁合金材料广泛地应用在海洋的环境之中，对镁合金材料有着很高的要求，要求其防腐性能要达到“中性盐雾≥1000h、酸性盐雾≥192h”这样的标准。也正是因为镁合金材料的易腐蚀性，在航空航天上无法有效地应用镁合金材料，这使得我国军备的自重远远大于美军的军备自重。虽然现阶段的技术尚未能彻底地解决镁合金材料的易腐蚀性问题，这时我们只能通过对铸造镁合金材料的表面进行处理以尽可能地提高其防腐性能。

2.1将化学转化处理和有机喷涂进行结合

化学转化处理的方法主要是通过将镁合金材料放在相关的化学溶液中进行浸泡，使得镁合金材料能够和该溶液完全发生化学反应，这样就能在镁合金材料金属的表面产生一道防护膜，由于其是中间的防护环节，相关人员需要结合有机喷涂来对其进行应用。目前常见的有以下几种溶液的处理方式。

a.对镁合金材料进行铬化处理。经过该处理之后，在镁合金材料表面就会形成一层有氧化铬、铬酸盐、氧化镁化合物的防护膜，但是该处理液无论是对于人类的身体还是自然环境都不友好。

b.对镁合金材料进行磷化处理。经过该处理之后，在镁合金材料表面就会形成一层含有磷酸盐的防护膜。但是其不能很好地适用在一些表面质量不好的薄壁压铸件上，这会使得生成的防护膜较弱。

c.对镁合金材料进行锌置换处理。经过该处理之后，在镁合金材料表面就会形成一层防护膜。这层防护膜能够提高铸件的吸附性能，使得其能够直接将电镀镍、镀铬、镀铜等工艺应用在镁合金材料上。

d.对镁合金材料进行化学腐蚀处理。这种化学腐蚀的处理方式主要是用铬酸一硝酸溶液来对其进行腐蚀，然后用氢氟酸溶液来消除镁合金表面生成的铬酸膜，使得最后产生出氟化镁膜层，大大地增强了其吸附性能，并能够对其进行镀铬处理。

对镁合金材料进行锌置换处理和化学腐蚀处理虽然能够有效地提升耐蚀性，但是其所提升的耐蚀性远远不如对镁合金材料进行铬化处理与磷化处理好，即便是这样，还是要进行有机喷涂处理，这样才能达到增强其防腐蚀性的目的。用表面含有铬转化膜的镁合金材料为例，需要对其进行长达几十小时的腐蚀。但是因为其生成的转化膜层厚度比较薄，脆性大以及耐蚀性较差，很容易在喷涂的时候出现点状腐蚀的现象，影响到产品寿命，使得表面出现鼓包起皮等问题。同时由于该技术是通过化学转化的方式来处理，不仅产生的废液会对环境造成污染，而且化学处理的成本也相对较高，不利于绿色生态环境的建设，因此该技术面临淘汰的几率较大。

2.2微弧氧化技术和阳极氧化技术

微弧氧化技术和阳极氧化技术都是将镁合金材料当成阳极来处理。受到外电压的作用，将镁合金放置在溶液中进行加工和处理，利用镁合金材料和电解液之间产生的电化学反应使其在镁合金表面产生一层薄膜。

a.微弧氧化技术。微弧氧化技术主要是借助电解液和电参数之间形成的组合，从而在镁合金材料的表面通过弧光放电的方式使其表面产生瞬时的高温高压，这样就能让镁合金材料的表面形成一层陶瓷膜层，从而提升镁合金材料的耐蚀性和硬度水平。

b.阳极氧化技术。经过阳极氧化的材料很容易在碱性溶液中形成氧化膜，形成的膜主要有氢氧化镁的化合物。其产生的膜会出现粗糙、较大孔隙、疏松的结构、孔洞较大以及分布不规则等现象。另外，这层膜比较薄，很容易在受压情况下出现脱落。

由于微弧氧化技术有着集中放电的特性，这就会在某种程度上增加了铸造镁合金材料存在的问题，会使镁合金材料所生成的膜出现疏松多孔的问题。若是将微弧氧化技术和喷涂相结合，也一样无法有效地避免点蚀问题的发生，很容易使产品表面出现鼓包的现象，使得涂层防护出现失效的情况，无法有效达到某些行业的要求。

2.3超微弧氧化技术

超微弧氧化技术主要是在微弧氧化技术的基础上，在电源设计方向上的突破。该技术改变了微弧氧化技术反应时所产生的动力反应，在镁合金材料的孔洞中形成发散放电，从而形成相对均匀而致密的膜。

超微弧氧化技术主要有以下这几点特征：

a.超微弧氧化技术能够有效地实现镁合金材料的孑L洞中的发散放电，避免了运用微弧氧化技术在形成薄膜过程中出现集中放电或者是间断放电的情况，抑制了微弧氧化技术过程中由于砂眼和缩孔等新型材料缺陷而产生的问题，降低了烧件问题的发生。

b.由于超微弧氧化技术具有发散放电的特征，能有效避免微弧氧化技术所产生的烧件现象，这就能够有效地保障电源设备的稳定性，从而提高单机的生产能力，使得单机的生产能力能够达到7m2。

c.由于超微弧氧化技术具有发散放电的特征，这对于多晶共相生长是非常有利的，能够使其形成相对完整的复合陶瓷相。目前，很多企业已经将这一技术作为设计的标准，这也使很多镁合金材料的铸造技术获得较大的突破，能够有效地满足海洋环境、吸光以及温控等要求，无论是在3C、光学、航空航天等行业都可以实现应用。

d.超微弧氧化技术的有关设备被认定为重大技术，这也说明这一新技术逐渐变得成熟化，成功迈入到产业化的环节之中。

3结语

目前我国在铸造鎂合金材料表面处理上还存在很多问题和不足，如：有很多铸造企业并不注重对铸造镁合金拆料的表面进行处理，甚至有部分企业为丁节省成本，并没有对铸造镁合金材料的表面进行处理，这不仅不利于延伸铸造镁合金材料的适用范围，而且还可能会导致铸造镁合金材料的寿命减少，不利于发挥出铸造镁合金材料的优势。为此，这就需要相关的铸造企业要明白铸造镁合金材料的使用范围，将化学转化处理和有机喷涂进行结合起来，并了解微弧氧化技术和阳极氧化技术以及超微弧氧化技术处理的现状和发展趋势。只有这样才能有效地运用合适的技术处理好铸造镁合金表面材料，满足我国对航天航空行业以及汽车行业有轻量化的需求，进一步带动我国航天航空和汽车行业的发展，提高我国的经济发展水平。