镁合金表面锌铝合金冷喷涂层性能的研究
赵 惠1 黄张洪2 李平仓1 王虎年1
(1.西安天力金属复合材料有限公司;2.西部钛业有限责任公司)
摘 要 利用冷喷涂表面处理技术,将锌铝合金(ZA 20)粉末喷涂到镁合金(A K 63)的表面。采用O M ,EM P 和EDX 等试验方法研究了冷喷涂层与镁合金界面的微观组织,并对冷喷涂前后试样分别进行了硬度试验、结合强度试验、磨损试验及腐蚀试验。结果表明,基体与涂层之间未发生扩散,界面处无裂纹、孔洞和分层等缺陷,结合良好;涂层的硬度远远高于基体,是基体的近3倍;冷喷涂处理后的镁合金无论是在干摩擦条件下还是在有润滑油条件下都比基体镁合金具有更好的耐磨性;经冷喷涂处理后的试样自腐蚀电位(-0.26V)远高于基体镁合金(-1.62V ),腐蚀电流比镁合金低2~3个数量级,冷喷涂处理后试样的耐蚀性好于基体镁合金。
关键词 冷喷涂;镁合金;锌铝涂层;耐磨性;耐蚀性
中图分类号 T G178 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2010)08-0702-03DOI:10.3870/tzzz.2010.08.006
收稿日期:2010-01-15;修改稿收到日期:2010-04-20
基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2007BAE07B02)
第一作者简介:赵惠,女,1979年出生,博士,工程师,西安天力金属复合材料有限公司,西安(710065),电话:0917-*******,E -mail:h uier7921@https://www.doczj.com/doc/c616351003.html,
冷喷涂技术也称为气体动力喷涂,其特点是合金粉末以高速撞击基体表面,在整个过程中粒子没有熔化,保持固态,氧化现象较难发生,粒子发生纯塑性变形聚合形成涂层,因而非常适用于对氧敏感的材料,如镁合金等
[1~5]
。
镁合金作为一种轻质的结构材料,近年来以其独特
的优点倍受人们的关注。但是,Mg 是一种非常活泼的金属,在空气中就很容易被氧化。氧化后,镁合金表面形成的氧化膜一般都稀疏多孔,很难保护基体,从而使其应用范围受到了很大的限制[6~12]。高铝锌合金具有抗拉强度和硬度高、阻尼性好、耐磨性好、耐蚀性好、摩擦系数小、摩擦温升低、材料成本低廉等优点[13~18]
。采用冷喷涂的方法,在镁合金表面制备高铝锌合金涂层,从而提高镁合金的性能,对扩大镁合金的使用范围具有重要意义。关于这方面的研究报道很少,因此本课题利用冷喷涂方法,在镁合金表面制备了约500L m 厚的锌铝冷喷涂层,并对涂层的微观组织及材料性能做了详细的研究。
1 试验方法
1.1 试验材料
试验所用镁合金为AK63,其化学成分见表1。锌铝合金(AZ20)粉末由JW C2-10型超音速雾化沉积炉制备,化学成分(质量分数)为19.21%~20.13%的A l,余量为Zn 。
表1 AK63镁合金的化学成分
%
w B
Al M n
Si
Cu
Ni
Fe
M g 8.5~9.5
0.17~0.40[0.05[0.025[0.001[0.004
余量
1.2 试验设备及方法
试验用冷喷涂设备由中科院金属研究所提供,装置示意图见图1。ZA20粉末冷喷涂的工艺参数:温度为300e ,压力为2.15M Pa,喷涂距离为40m m
。
图1 冷喷涂装置示意图
利用OLYM PU S BX60光学显微镜和EM P -810Q 型电子探针微分仪观察冷喷涂后试样微观组织形貌;利用H DL -1875型布氏硬度试验机测试冷喷涂前后试样的硬度,试验机所用压头的钢球尺寸为<25mm ,载荷为625N,加载时间为25s;采用MODEL55100型电子万能试验机测定涂层与基体的结合强度;磨损试验在M -200磨损试验机上进行,环形对磨偶件(高速钢)的半径r 为19m m,在载荷P 的作用下,以转速180r/m in 的速度进行,试验分别采用了干磨和用30号机油作润滑剂的湿磨(有润滑条件下P 为600N;无润滑条件下P 为200N);腐蚀试验:采用CP5电化学测试系统,腐蚀介质是质量分数(下同)为3.5%的NaCl 溶液,测试温度为室温,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂片,工作电极为样品,留出10mm @10mm 工作面,其他表面用不导电胶密封,待体系稳定后进行动电位极化曲线测试,扫描速度为60mV/min;用环氧树脂将有
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实用研究特种铸造及有色合金 2010年第30卷第8期
ZA20冷喷涂层的试样的非涂层面密封,放入202-2型干燥箱内干燥3h,在FDYE -03E 型盐雾试验箱内进行腐蚀试验,采用中性盐雾腐蚀试验方法,按ISO376-81976的规定,溶液为5%的NaCl 溶液,试验时盐雾箱温度恒定保持(35?1)e ,连续喷雾48h 。腐蚀后,用酒精和丙酮擦拭试样表面,烘干后观察比较试样的微观组织。
2 试验结果与分析
冷喷涂实现冶金结合的原理是,高速撞击使颗粒和底层表面的薄金属氧化物膜破碎,从而实现原子结合[1~5]
。图2是冷喷涂后试样剖面的微观组织形貌。从图2中可以看出,ZA20粉末在高压气体的作用下以高速冲击基体,基体发生强烈的变形。涂层与基体之间无过渡层,界面平整,无孔洞、裂纹和分层等缺陷。对镁合金基体到涂层处进行Zn 元素的线扫描,扫描结果表明,在界面处Zn 含量的变化非常剧烈,界面附近不存在过渡区。镁合金基体上没有Zn 元素,当扫描到界面处进入涂层时,Zn 含量骤然升高,这说明基体与涂层完全没有发生扩散。这是因为,冷喷涂的操作温度较低,颗粒加速撞击基体后使基体发生强烈的变形,大部分动能转变为形变能,界面温度较低,未激发原子发生扩散。另外,粒子高速碰撞基体后在很短的时间内将基体包覆,隔绝了新鲜基体与空气的接触,避免了冷喷涂过程中镁合金被氧化,
从而制止了界面附近过渡区的产生。
图2 冷喷涂后试样剖面的微观组织和Zn 元素线扫描
比较镁合金基体和冷喷涂层的硬度(H BS)可以看出,涂层硬度(H BS=178)比镁合金基体(H BS=60)提高约2倍。这表明冷喷涂层可以很好地保护基体,提高了基体的硬度。为了检测涂层与基体的结合情况,对冷喷涂后的试样进行了拉伸试验。拉伸试样的断口出现在界面处,其结合强度达到13.1MPa 。试验结果表明涂层与基体结合良好。
图3是干摩擦条件下冷喷涂前后试样的磨损质量损失曲线。试验结果表明,镁合金质量损失现象一开始比较严重,而后较平稳。而冷喷涂后试样在磨损试验开始时出现了质量增加现象。这可能是因为,ZA20冷喷
涂层的铝含量很高,干摩擦条件下,磨损面温度很高,铝被氧化形成氧化铝薄膜附在表面上,摩擦时氧化铝不易被破坏。另外,在摩擦过程中,氧化层发生加工硬化,也提高了材料的耐磨性。但是随着时间的延长,摩擦表面温度过高,氧化膜易被摩擦表面上的微凸体在机械作用下去除,暴露出新的基体表面,表面再次被氧化,试样从而进入稳定质量损失区。比较两试样的质量损失,可以看出,当磨损时间为35m in 时,喷涂后试样的质量损失仅为27.12m g,而基体的质量损失为55.85mg ,由此可见,冷喷涂层具有更高的抗磨损能力。图4是润滑条件下冷喷涂后试样与镁合金基体的质量损失曲线。从图4中可以看出,磨损60min 后,ZA20冷喷涂层的质量损失为7.36mg ,镁合金的质量损失为51.88m g,镁合金的质量损失为涂层的6~7倍。这说明在润滑条件下,冷喷涂层具有更好的抗磨损能力。这可能是因为在有润滑油的条件下,摩擦表面温度不高,避免了氧化膜脱落,
从而提高了试样的耐磨性能。
图3
干摩擦条件下质量损失曲线
图4 润滑摩擦条件下合金的质量损失曲线
图5是AK63镁合金和冷喷涂层的极化曲线。从图5中曲线a 可以看出,AK63镁合金的自腐蚀电位为
-1.62V,当电压增大,镁合金的腐蚀电流急剧增大,并马上进入过钝化区,样品发生活性溶解。宏观表现为,测试过程中样品表面和对电极上迅速产生H 2并不断逸出。试验后试样表面粗糙,个别地方凹陷严重。而从冷喷涂层的极化曲线可以看出(曲线b ),涂层自腐蚀电位为-0.26V,腐蚀电流比基体镁合金低3~4个数量级,且纯正明显的钝化区,在电压达到+2V 时,试样仍未进入过钝化区。
表2为盐雾腐蚀过程中,镁合金和冷喷涂后试样的腐蚀现象。结果表明,经48h 盐雾腐蚀后,A K63表面已看不清基体的形貌,腐蚀产物厚度甚至超过了基体的厚度。清洗后发现,合金表面仍存在镁的氧化物、氯化
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镁合金表面锌铝合金冷喷涂层性能的研究 赵 惠 等
图5 A K63镁合金和冷喷涂层的极化曲线
物,表面被腐蚀产物覆盖,有较深的腐蚀坑(见图6a)。冷喷涂试样表面在48h 盐雾腐蚀后出现了白色物质,但经清洗发现,白色物质可以被洗掉,而且清洗后合金表面无凹痕(见图6b),材料表面因氧化而变黑,但表面
无裂纹和深的孔隙。所以相对于镁合金基体,ZA20冷喷涂层具有更好的耐蚀性,可以很好的保护基体,这与前期的极化曲线结果是一致的。
表2 盐雾腐蚀试验结果
时间/h AK63镁合金
冷喷涂试样8表面出现大量的黑色的腐蚀产物表面发暗
18表面的腐蚀产物增多
表面变得更暗24表面腐蚀产物堆积较厚,合金受到严重的腐蚀
表面基本无变化
30镁合金表面仍然附着着大量的腐蚀产物,已经看不清镁合金的表面形貌
表面开始出现白色物质43疏松的黑色产物堆积在表面,超过了基体的厚度
表面发暗,有白色物质48
表面附着了一层厚而稀松多孔的腐蚀产物
表面发暗,有
白色物质
(a)基体
(b)ZA20涂层
图6 盐雾腐蚀后试样表面的微观组织
3 结论
(1)冷喷涂处理后,涂层与基体界面结合良好,无裂纹、孔洞和分层等缺陷。对基体及涂层进行Zn 元素的线扫描结果表明,在涂层与镁合金的交界处,Zn 含量变化非常剧烈,没有过渡区。而且一旦经过界面,Zn 元素在涂层中的含量基本一致。
(2)在干摩擦条件下,锌铝合金冷喷涂层的质量损
失为镁合金的48%左右;在有润滑的的摩擦条件下镁合金的质量损失是冷喷涂后试样的6~7倍,由此可见,锌铝合金冷喷涂层的耐磨性好于镁合金基本。(3)锌铝合金的自腐蚀电位-0.26V 高于基体合金的-1.62V,冷喷涂后试样的钝化区远远大于基体合金,因此可以很好地保护基体。从盐雾腐蚀的试验结果表明,锌铝合金冷喷涂层在48h 中性盐雾过程中耐蚀性优于基体合金。
参 考 文 献
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(编辑:栗万仲)
WBMS:1~4月全球锌市供应过剩28.8万吨
世界金属统计局(WBMS )6月16日称,今年前4个月,全球精炼锌市场供应过剩28.8万吨。该数据高于去年全年的供应过剩20.8万吨。1~4月期间,精炼锌需求为40.5万吨,高于去年同期水平。
(摘自5世界有色金属62010年第7期)
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特种铸造及有色合金 2010年第30卷第8期
Based on Wavelet Analysis in Magnesium Alloy Melt Xu Sixia ng,M a Aiping,W a ng M in,Huang Guofang (M echanical Eng ineering Institute,Anhui Univ er sity of T echnolo gy,M a'a nshan,China)2010,30(7)0697~ 0699
Abstract Backgro und aro und bubbles ex hibits ver y com plex due to the character istics o f very easy ox ida-tion and ignition o f the alloy m elt.The w avelet analy-sis in differential scale w as employed to keep track of tim e and frequency info rmatio n of character signal. With the scale zo oming out,true sig nal w as enhanced and noise w as w eakened.Existence of the first bubble w as effectiv ely detected based on w avelet analysis in differential scale combining w ith o pen operation of mathematic morpholog y accor ding to difference of tar-g et,disturbed backgro und and no ise.T he results ver-ify that the metho d is feasible and effectiv e.
Key Words:Magnesium Melt,First Bubble,Wavelet Analysis,Mathematic Morphology
Effects of C a and Si Compound Alloying on Microstruc-ture of AZ31Magnesium Alloy Li Jiqiang1,Zhang Lei2,Liu W en1,Zhang Zhao1(1.Schoo l of M echan-i cal and Energy,Ning bo Institute o f T echno log y,Zhe-jiang U niv ersity,N ingbo,China; 2.State Key Labo-r ator y o f Mater ial Pro cessing and Die&Mo uld T ech-nolo gy,H uazhong U niversity of Science and T echno-l o gy,Wuhan,China)2010,30(8)0699~0701 Abstract Effects of Ca and Si compound alloying o n as-cast micro structure of AZ31m ag nesium allo y w ere an-aly zed by optical micro scope(OM),SEM(scanning e-lectr on microscope),XRD(X-ray diffraction)and EDS(energy dispersive spectrom eter).It is found that Ca elem ent ex ists in the AZ31magnesium in for m of solid so lution phase,and Si element is irrelative w ith the distribution of Ca in the alloy.Mg2Si phase is created by Si reacting w ith M g,meanw hile,M g17Al12 phase distributed along boundary is gradually conver-ted into particle and acicular phase dispersedly distrib-utes around bo undary or in the g rain.With increasing in Si addition,partial par ticles beco me coarse,and Chinese script Mg2Si phase appears in the matrix a-l loy.The desirable as-cast micro structur e of the allo y can be o bserv ed w ith0.3%Ca and0.4%Si com pound addition.
Key Words:AZ31Magnesium Alloy,C a,Si,Micro-structure Properties of Zn-Al Alloy C old Spraying Coatings on Magnesium Alloy Zhao Hui1,Hua ng Zha nghong2,Li Pingca ng1,W ang Hunian1(1.Xi'an T ianli Cladding M etal Materials Co.,Ltd.,Xi'an,China; 2.Xi'an Western M etal M aterials Co.,Ltd.,Xi'an,China) 2010,30(8)0702~0704
Abstract ZA20coatings w ere prepared on the surface of AK63mag nesium allo ys by co ld spr ay ing metho d. M icrostr ucture of interface betw een cold sprayed co at-ing s and mag nesium alloy matrix w as observed by OM (o ptical microscope),EM P and EDX.H ardness, bonding strength and w ear resistance,corrosion be-havio r o f the sam ples before and after cold sprayed treatment w er e investigated.T he results r eveal that absence of diffusion betw een matrix allo y and coating and of defects in interface,such as crack,por e and separ ation,can be o bser ved,show ing desirable inter-face bo nding.T he hardness of the co ating is appro x-i mately hig her3times than that of the alloy substrate. In additio n,w ear resistance of the m ag nesium allo y af-ter cold sprayed ZA20coating is gr eatly superior to that of mag nesium alloy matrix in conditio n of dry friction or oil lubr ication.Self-erosion potential of co ld sprayed samples(-0.26V)is far higher than that o f magnesium alloy matrix(-1.62V),leading to in the sig nificant im pro vement of co rrosio n resistance.
Key Words:C old Spraying,Magnesium Alloy,Zn-Al Coating,Wear Resistance,Corrosion Resistance
Numerical Simulation of Filling Process in Copper Stave Casting D u Xiaom ing1,Hua ng Yong1,Zha o M in2(1. Schoo l o f Materials Science and Engineering,Sheny-ang Ligo ng University,Shenyang,China; 2.Sheny-ang Dong huan Non-ferrous M etal Manufacture Co., Ltd.,Shenyang,China)2010,30(8)0705~0707 Abstract Influence of inlet velocity and po ur ing tem-perature of the metal melt on flow field in the copper stave in m eta-l sand m olds w as simulated using a finite elem ent softw are ANSYS.The results reveal that ob-vious disturbance o n the curves of filling velocities can be obser ved in condition o f low er inlet velocities,such as0.3m/s and0.8m/s,w hile absence of disturbance on the filling velocity curv es can be observed w ith inlet velocity of1.0m/s,ex hibiting smo oth filling pr ocess, w hich can be used for the recom mended value of pou-ring parameters during practical productio n.Varied-viscosity w as adopted in the numerical simulatio n to pr edict the effects of po ur ing tem perature o n filling
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