专利名称：镁合金成型制品的铝锌系表面耐蚀涂层结构及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于镁合金技术领域，具体涉及对镁合金进行表面耐蚀处理的一种镁合金成型制品的铝锌系表面耐蚀涂层结构以及制备工艺。
背景技术：
镁及镁合金具有密度低、比强度高、加工焊接和阻尼性能良好及尺寸稳定、价格低廉等优点而受到人们的重视及广泛应用，目前已成功地应用于航空、汽车制造和电子等领域。镁的化学性质很活泼，其标准电极电位只有-2.37V，是常用金属中电极电位最低的。虽然镁在空气中也能形成保护性的氧化膜，但这种膜很脆，不致密，远不如铝合金氧化膜坚实，故耐蚀性很差。这使镁合金的应用受到很大的限制。
为了提高镁合金的耐腐蚀性能，国内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处理依然是传统的表面防护技术，如阳极氧化处理，化学镀镍，环氧树脂密封，油漆或搪瓷等，这些表面处理涂层较薄，耐蚀性受到一定限制，电镀和阳极氧化均存在受设备尺寸限制和排放废液污染的问题。因此，世界各国相继开展了镁合金表面等离子微弧阳极氧化、激光表面热处理和激光表面合金化以及物理气相沉积、化学气相沉积或电子束蒸发等表面处理方法的研究，这些现代的镁合金表面改性技术利用设备优势可以得到表面处理优异的防蚀层，但除微弧阳极氧化只须简单的电源(要求高电压和高电流，生产成本高)以外，其他技术均须特殊的昂贵设备或需在真空等苛刻的条件下进行，除航空航天或军事等高附加值领域的特殊部件能够采用这些技术外，其他领域的产品难以承受这样高昂的成本，因此其市场前景受到了一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有镁合金表面耐蚀处理存在的不足，提供一种镁合金成型制品的铝锌系表面耐蚀涂层结构以及制备工艺，在镁合金表面获得较厚、结合较好、强度较高、耐蚀性优良的涂层，提高镁合金表面的耐腐蚀性能，工艺简单，制造成本低。
本发明采用以下技术方案本发明提供的镁合金成型制品铝锌系表面耐蚀涂层结构组成如下它首先具有镁合金基础材料层，然后在该镁合金基础材料层之上结合有通过热喷涂形成的Al-Zn系合金中间层，再在Al-Zn系合金中间层表面还结合有通过热喷涂形成的Al涂层。
该涂层结构的获得工艺包括以下步骤首先，进行热喷涂预处理，即采用喷砂对镁合金基础材料层的表面清除杂物并粗化。由于镁合金极易被氧化，在表面易形成氧化镁，但这层氧化镁是疏松的，如果预处理不加以除去，将会导致热喷涂的Al-Zn系合金中间层与基体结合力降低，同时基体表面的杂质也将影响喷涂材料与基体的结合力，因此首先需对基体表面进行上述的预处理。
然后，用热喷涂枪在镁合金基础材料层表面热喷涂Al-Zn系合金作为中间层。设计该中间层的原因是纯Al的熔点660.24℃，而镁的熔点为650℃，铝及镁的合金熔点相近，又由于镁易燃烧，所以为铝镁的熔敷和扩散工艺造成较大的难题。而Zn的熔点只有419.5℃，Al-Zn，MgZn及Al-Mg-Zn共晶的熔点则还要低，有利于扩散层的形成及涂层结合强度的提高。此中间层的加入可作为梯度材料，其加热时易和基体形成低熔点的MgZn，MgZn2共晶，同时又可和表层的Al涂层形成Al-Zn及Al-Mg-Zn三元共晶，这种涂层因含Zn所以耐环境中的碱性物质的浸蚀，而环境中的酸性及硫和硫化物则靠Al涂层防腐。
进一步，在Al-Zn系合金中间层表面热喷涂Al做为表面涂层。铝合金由于表面的氧化膜非常致密，具有良好的耐蚀性，铝和镁均属于轻合金，两种元素具有良好的相容性，并且两者结合性能优良，因此在镁合金表面形成一定量的镁铝化合物，可以提高表面电极电位，减少电偶腐蚀的倾向，对基体镁合金起到很好的保护作用。
之后，在进行低温扩散处理，扩散温度在200-430℃，扩散时间根据需求而定，在1-20小时。由于表面的喷铝涂层存在微孔，具有一定的孔隙率，当环境中的O2-、Cl-、和SO22-等酸性离子穿透这些孔隙将会导致镁基体的腐蚀。如果将涂层经重熔处理，可消除涂层中氧化物夹杂和孔隙，层状结构变为均质结构，基于此原理，为了提高涂层与基体的结合力以及使镁铝能够充分扩散融合，进一步提高其耐蚀性，就需对表面喷铝的镁合金制品进行低温热扩散。扩散温度的选择主要是根据Mg-Al及Mg-Al-Zn相图以及扩散理论而确定的。当扩散温度高时，扩散所需时间短，涂层表面会出现半融合状态，涂层致密性好，但表面的光洁度会受到一定的损失，如果是薄壁件，镁合金基体容易发生变形，对零件本身产生不良影响；当扩散温度低时，所需扩散时间要长一些，但表面光洁度高些，镁合金基体零件本身的抗蠕变性能有保障。因此，根据工件服役条件的不同，通过调整确定扩散温度和扩散时间得到喷涂扩散的最佳效果。当扩散温度过低时，扩散所需时间太长，且二元相的生成非常困难，涂层与基体的结合力会受到很大的影响，达不到扩散的目的要求。
进一步，还可对制品表面进行封闭处理或涂装处理。可采用聚氨酯环氧漆刷涂封闭处理，其目的是尽可能地把涂层的孔隙封住，并填平因喷涂颗粒堆砌而产生的凹坑。此处理可根据零件制品服役情况安排进行，可以在上述所有涂层热喷涂工序完成以后进行，也可以在热扩散后进行。热喷涂铝之后如果表面要求非常光滑需抛光，则可不进行封闭处理。为了延长防护体系的使用寿命和出于美观考虑，也可在表面进行涂装处理。
本工艺中，中间层的喷涂材料采用Al-Zn系合金丝，以降低氧化率，其中Al和Zn两者含量占合金丝的99％左右，其余为微量元素和可细化组织的元素或稀土元素。Al-Zn系合金中间层热喷涂的热喷涂最好在喷砂完成后立即进行，最长间隔时间不超过4小时，如环境空气湿度太大，则不可进行喷涂，要保持工件表面湿度至少比露点温度高3℃以上，才可进行喷涂。
本发明的显著优点在于在镁合金制品的表面形成一层牢固的冶金结合的耐腐蚀性能高的铝锌系涂层，显著提高镁合金表面的耐腐蚀性能。本发明工艺简单，制造成本低。
通过对上述铝锌系表面耐蚀涂层结构进行热震试验表明，涂层与基体结合牢固，已大大超过标准规定的要求数值；通过硬度测试，测得表面硬度可比基体硬度提高三分之一；通过盐雾腐蚀实验，加速盐雾腐蚀实验时间不低于1000小时，经过3000小时表面未见腐蚀，证明本结构的在耐腐蚀性方面有显著提高。
图1是本镁合金成型制品的铝锌系表面耐蚀涂层结构的涂层结构示意图。
具体实施例方式
以下通过实施例来进一步详细说明本发明的内容。
实施例1首先，选择待处理的镁合金工件，对其进行表面预处理，选用磷铸铁砂和刚玉砂，其粒度一般为0.5-1.5mm，，先用砂纸将表面的氧化膜及油污等脏物除掉，然后经喷砂设备处理，再次去掉深层次的氧化物，同时使表面新鲜化，便于喷锌铝层与之有较好的结合。喷砂完毕后，立即进行热喷涂处理。
用热喷涂枪在镁合金基础材料层表面热喷涂Al-Zn系合金作为中间层。Al-Zn系合金中间层材料为Al-Zn系合金丝，其中Al和Zn两者含量占合金丝的99％左右，其余为微量元素和可细化组织的元素或稀土元素。采用热喷涂枪，工艺参数为气体工作压力氧气0.3-0.6MPa；乙炔0.07-0.2MPa；压缩空气0.5-0.6MPa；保护气体0.2-0.6MPa。
在Al-Zn系合金中间层只上采用热喷涂枪喷涂Al涂层，工艺参数为气体工作压力氧气0.4-0.5MPa；乙炔0.07-0.1MPa；压缩空气0.5-0.6MPa；保护气体0.3-0.5MPa。气体消耗量为氧气1.7m3/h；乙炔0.1m3/h；压缩空气1.2m3/min；保护气体1.5m3/h。喷涂时间，喷枪和工件的距离及移动速度，可按不同工件大小、形状及喷涂厚度要求而定。
然后，将工件放入箱式炉中，加热至200-430℃，进行低温热扩散。
最后，对工件根据需要进行封闭处理或涂装处理。
所获得的涂层结构如图1所示，图中，1为镁基体，2为Al-Zn系合金中间层，3为Al涂层。
权利要求
1.一种镁合金成型制品的铝锌系表面耐蚀涂层结构，其特征是在镁合金基础材料层之上结合有通过热喷涂形成的Al-Zn系合金中间层，在Al-Zn系合金中间层表面还结合有通过热喷涂形成的Al涂层。
2.制备权利要求1所述的镁合金成型制品铝锌系表面耐蚀涂层的工艺，其特征在于包括以下步骤(1)首先采用喷砂对镁合金基础材料层表面清除杂物并粗化；(2)然后热喷涂Al-Zn系合金作为中间层；(3)再热喷涂Al作为表面涂层；(4)进行低温扩散处理，扩散温度在200-430℃，扩散时间根据需求而定，在1-20小时；(5)最后对制品表面进行封闭处理或涂装处理。
3.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于Al-Zn系合金中间层材料为Al-Zn系合金丝，其中Al和Zn两者含量占合金丝的99％左右，其余为微量元素和可细化组织的元素或稀土元素。
4.根据权利要求2或3所述的工艺，其特征在于热喷涂Al-Zn系合金中间层采用热喷涂喷枪，工艺参数为氧气0.3-0.6MPa；乙炔0.07-0.2MPa；压缩空气0.5-0.6MPa；保护气体0.2-0.6MPa。
5.根据权利要求2所述的工艺，其特征在于热喷涂Al涂层采用热喷涂枪，工艺参数为气体工作压力氧气0.4-0.5MPa；乙炔0.07-0.1MPa；压缩空气0.5-0.6MPa；保护气体0.3-0.5MPa。
全文摘要
一种镁合金成型制品的铝锌系表面耐蚀涂层结构及其制备工艺，其结构是在镁合金基础材料层之上结合有通过热喷涂形成的Al－Zn系合金中间层，在Al－Zn系合金中间层表面还结合有通过热喷涂形成的Al涂层。工艺步骤包括首先采用喷砂对镁合金基础材料层表面清除杂物并粗化；然后热喷涂Al－Zn系合金作为中间层；再热喷涂Al作为表面涂层；进行低温扩散处理，扩散温度在200－430℃，扩散时间根据需求而定，在1－20小时；最后对制品表面进行封闭处理或涂装处理。通过本发明能在镁合金成型制品表面获得较厚、结合较好、强度较高、耐蚀性优良的涂层，提高镁合金表面的耐腐蚀性能，工艺简单，制造成本低。
文档编号C23C4/08GK1598035SQ20041004036
公开日2005年3月23日 申请日期2004年7月30日 优先权日2004年7月30日
发明者张津, 孙智富, 王莹 申请人:重庆工学院