第一篇：稀土對TIC基金屬陶瓷耐磨堆焊材料組織性能的影響

稀土對TIC基金屬陶瓷耐磨堆焊材料組織性能的影響

陜西航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院

專業(yè)：焊接技術(shù)及自動化

姓名：周國剛

學(xué)號:28 摘要：應(yīng)用掃描電鏡、透射電鏡等測試手段和沖擊試驗、磨損試驗，研究了(基金屬陶瓷堆焊材料中加入稀土氧化物，對堆焊材料的組織、界面相結(jié)構(gòu)、顯微硬度、沖擊韌性和磨損性能的影響，初步探討了稀土氧化物改善界面顯微結(jié)構(gòu)、提高胎體金屬韌性的作用機制。研究結(jié)果表明，稀土氧化物能細(xì)化堆焊層胎體金屬組織，消除胎體金屬的缺陷，細(xì)化胎體金屬斷口韌窩并使撕裂棱數(shù)量增加，提高堆焊層沖擊韌性性塑性，促使金屬基陶瓷與胎體金屬界面形成多晶過渡區(qū)和局部非晶態(tài)物相，提高界面的結(jié)合強度。稀土氧化物的加入對胎體金屬顯微硬度的影響不大，但能顯著提高堆焊層干摩擦磨損狀態(tài)下的耐磨性，具有一定的減摩作用。關(guān)鍵詞：稀土氧化物；(基金屬陶瓷；組織結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；耐磨性金屬陶瓷復(fù)合耐磨堆焊材料由軟的胎體金屬和金屬陶瓷顆粒組成，具有高的耐磨性和較高抗沖擊性能，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于石油、煤炭、地質(zhì)和礦山等工業(yè)中一些受嚴(yán)重磨損工件工作面的堆焊，尤其作為油田井下作業(yè)中的磨鞋、銑鞋、扶正器等工具的強化材料，已取得很大的經(jīng)濟效益。其中耐磨相主要采用1(基金屬陶瓷，其耐磨性相對較低。而(2）基金屬陶瓷不僅具有密度低，彈性模量、硬度和強度高，高溫抗氧化性、耐蝕性和耐磨性好，而且其強韌性是陶瓷的兩倍多［3］，因此，如果能利用金屬基陶瓷部分或全部代替現(xiàn)有的金屬陶瓷，將具有重要的經(jīng)濟意義。但是由于(基金屬陶瓷的焊接性較差，與胎體金屬的潤濕性差，堆焊時熔池的流動性差，導(dǎo)致成形不良。為了改善堆焊層的組織性能，本文嘗試在胎體金屬中加入少量的稀土元素，研究稀土元素對堆焊材料組織性能的影響。

1.試驗材料及方法

試驗用金屬基陶瓷及胎體金屬的主要化學(xué)成分及性能見表。將金屬陶瓷顆粒、釬料及稀土元素按一定的比例混合，并加入適量的特制熔劑，置于石墨模中，入電阻爐中加熱制備成的棒狀焊條，采用碳弧堆焊方法堆焊到," 鋼表面，并利用線切割方法將堆焊層制備成各種試樣。應(yīng)用光學(xué)顯微鏡、型掃描電鏡對堆焊層的組織進行觀察與分析，采用型透射電鏡觀察金屬基陶瓷與胎體金屬結(jié)合界面的組織形貌。采用=(型擺錘式?jīng)_擊試驗機進行無缺口試樣的沖擊試驗，摩擦磨損試驗在型磨損試驗機上進行，下試樣為金屬陶瓷環(huán)狀試樣，試驗條件為：塊5環(huán)接觸滑動干摩擦方式，法向載荷為2%，滑動速度8.9 %，滑動距離3 9。用工具顯微鏡和測長儀測定磨痕長度!和寬度計算磨損體積，其中是下試樣半徑。2.試驗結(jié)果與分析

顯微組織與相結(jié)構(gòu)稀土氧化物對胎體金屬顯微組織的影響在堆焊過程中由于金屬陶瓷顆粒不熔化，其組織、性能變化不大。但胎體金屬的組織性能對堆焊層的韌性、成形性能等影響很大。圖1 為堆焊層胎體金屬的顯微組織。當(dāng)不加入稀土氧化物時，堆焊層的組織主要是粗大的胞狀枝晶（圖6（3）），具有明顯的方向性，同時局部區(qū)域產(chǎn)生缺陷（見圖6（A））；而添加稀土氧化物后胎體金屬的顯微組織得到顯著細(xì)化（圖6），堆焊層中的缺陷消除。

上述組織特征形成的主要原因是：在未加入稀土氧化物時，由于焊后胎體金屬的冷卻速度較快，熔池中胞狀枝晶具有定向凝固特征，且由于溫度降低金屬的粘度增加，液態(tài)金屬的流動性變差，從而形成缺陷；加入稀土氧化物后，雖然具有較高的穩(wěn)定性，但仍有一部分稀土氧化物在高溫電弧作用下分解形成活性離子，吸附在晶核原子表面阻礙晶核在較大過冷度下的快速長大；還有一部分稀土氧化物作為夾雜物成為非均勻形核的核心，促進胎體金屬的形核，從而起到細(xì)晶變質(zhì)作用。其作為夾雜物非均勻形核能力的大小取決于夾雜物作為形核基底與結(jié)晶相之間的界面能，而基底與結(jié)晶相間的點陣錯配度是決定界面能的主要因素。根據(jù)定義的二維錯配度的定義進行計算.與面心立方結(jié)構(gòu)!相的錯配度，結(jié)果表明，稀土夾雜物作為胎體金屬!相的非均勻形核的核心是相當(dāng)有效的。稀土對金屬陶瓷與胎體金屬界面結(jié)構(gòu)的影響堆焊時胎體金屬與金屬陶瓷結(jié)合是通過元素的擴散、反應(yīng)，形成固溶體或共晶體。在沒有加入稀土元素時，界面上的組織基本上是!等物相，往往由于冷卻速度較大，界面上產(chǎn)生很大的應(yīng)力，在組織內(nèi)形成大量的位錯及滑移線。當(dāng)加入稀土元素后，界面層的物相較復(fù)雜，而且在金屬基陶瓷周圍包覆一層的細(xì)晶過渡層（圖4（3）、（A）），甚至在局部區(qū)域胎體金屬形成的非晶玻璃相（見圖4，該相的能譜分析見圖4（N），其成分，質(zhì)量分?jǐn)?shù)）等元素在該處聚集。形成非晶態(tài)物相的機制目前尚不清楚，可能是由于界面處存在大量的缺陷（位錯、晶界），使稀土原子首先在表面缺陷處吸附，同時還將大量的等原子也帶到這些缺陷處，大大降低該處基體的圖6 堆焊層胎體金屬的顯微組織特征

（3）不加稀土的胎體金屬顯微組織；（A）不加稀土的胎體金屬局部缺陷；加稀土后胎體金屬顯微組織特征王新洪等RE對TIC基金屬陶瓷耐磨堆焊材料組織性能的影響圖2 加入稀土后界面的TEM 形貌界面的細(xì)晶過渡區(qū)顯微組織；（a）中TIC,Cu,Ni 的衍射圖；（c）局部非晶態(tài)物相顯微組織；

（d）（c）中Cu 的非晶衍射圖；（e）非晶物相的EDAX 能譜線表面能，從而使成核部位增加。大量的原子被吸附在基體表面上，有效地阻止了晶核的繼續(xù)長大，這樣就促使細(xì)晶與非晶結(jié)構(gòu)的形成。形成這些物相后不僅提高界面的抗沖擊性能和結(jié)合強度，而且也改善了胎體金屬對碳化物的潤滑性，使胎體金屬與金屬陶瓷能較好地結(jié)合。2.2 力學(xué)性能

當(dāng)在堆焊材料中加入少量的稀土元素后，堆焊層的沖擊韌性變化較大，而堆焊層的顯微硬度變化不明顯。圖1 是堆焊層金屬基陶瓷與胎體金屬界面近顯微硬度的分布，從圖中可以看出，加入稀土元素后雖然得到細(xì)小的胎體金屬組織，但對其硬度影響不大，仍保留較好的塑性和韌性。堆焊時金屬基陶瓷本身不熔化，硬度變化也不大，堆焊后其擴散燒損較小。堆焊材料的沖擊功是金屬基體和金屬陶瓷兩部分共同吸收的沖擊能量的度量，其中金屬陶瓷的韌性較低。耐磨堆焊材料的沖擊功主要是其中金屬基體吸收的沖擊能量的結(jié)果。因此，堆焊層的顯微組織形態(tài)對其沖擊韌性的影響很大。圖2 是堆焊層沖擊韌性的曲線，表明在加入稀土元素后堆焊層的的韌性增加.圖5(a），（b）是堆焊層胎體金屬的斷口形貌。從圖中可以看出，胎體金屬的斷裂主要是韌性斷裂，并具有較大的塑性變形，斷口上存在許多韌窩和一定數(shù)量的白色撕裂棱。在韌窩斷口的底部有 可能存在引發(fā)裂紋起源的夾雜物或第二相粒子由于較大尺寸夾雜物更易對位錯滑移形成阻礙，產(chǎn)生的應(yīng)力集中更大，因此，更易引發(fā)裂紋源。撕裂棱是塑性變形的特征，它是在各單獨裂紋擴展至相互連接，最后撕裂而形成，在撕裂棱處產(chǎn)生較大量的塑性變形。兩者不同在于斷裂前塑性變形的程度不同，在圖5（a）中所示的胎體金屬斷口韌窩較大，撕裂棱的數(shù)量少，而圖5（b）中所示的胎體金屬的斷口上可見較小的韌窩，撕裂棱的數(shù)量也較多。因此，表明加入稀土元素能提高胎體金屬的韌性和塑性。此外，在沒有加稀土元素的堆焊層中，由于焊后冷卻速度較快，造成堆焊層局部的胎體金屬在凝固過程中局部區(qū)域得不到液態(tài)金屬的補充，產(chǎn)生疏松等缺陷，從斷口形貌上看胎體金屬中存在自由生成的表面（見圖&），因此，在沖擊力作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，使胎體金屬的沖擊韌性明顯降低而當(dāng)胎體金屬中加入少量稀土元素后明顯改善胎體金屬的韌性，這主要是由于稀土元素可以去除雜質(zhì)、凈化胎體金屬，提高液態(tài)金屬的流動性，消除缺陷，提高金屬陶瓷潤濕性以及與胎體金屬的結(jié)合強度，細(xì)化胎體金屬的組織，從而提高其韌性。磨損性能圖是堆焊層抗摩擦磨損的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，加入稀土氧化物后堆焊層的耐磨性提高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是加入稀土元素后，基體組織顯著細(xì)化，塑、韌性改善，使堆焊層具有更好的減摩作用和穩(wěn)定的摩擦學(xué)特性。此外，加入稀土氧化物后，增強了金屬基陶瓷與胎體金屬的結(jié)合強度，使其不易脫落，能更有效阻止堆焊層從輕微磨損狀態(tài)向嚴(yán)重磨損狀態(tài)轉(zhuǎn)化，起到均勻載荷和減摩抗磨作用，因此磨損抗力增加。圖6 堆焊層胎體金屬缺陷處斷口形貌 3.結(jié)論

1.堆焊材料中加入稀土氧化物能細(xì)化胎體金王新洪等RE 對TIC基金屬陶瓷耐磨堆焊材料組織性能的影響屬，增強胎體金屬與金屬基陶瓷的潤濕性； 稀土氧化物能消除堆焊層的缺陷，提高胎體金屬的沖擊韌性，促使胎體金屬的韌窩尺寸變細(xì)和撕裂棱數(shù)量增加。加入稀土氧化物后，金屬基陶瓷與胎體金屬形成細(xì)晶過渡，提高界面的結(jié)合強度，促進界面非晶物相的形成,稀土氧化物的加入對胎體金屬的顯微硬度影響不大，但能提高堆焊層抗摩擦磨損的性能。

第二篇：半固態(tài)成型加熱工藝對鎂合金組織與耐腐蝕性能影響

大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

調(diào)研報告

1.課題來源及意義

鎂是地殼中含量最豐富的元素之一，其豐度居第8位，約占地殼組成2.5％，主要以白云石(碳酸鎂鈣)、菱鎂礦存在，此外，海水中含鎂約0.13％，可謂取之不盡[1]。鎂合金密度小、比強度高、彈性模量大、減振、抗沖擊性能好，成為21世紀(jì)材料體系中的重要組成部分，在航空、航天、汽車等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2，3]。然而鎂合金仍暴露出力學(xué)性能偏低和耐蝕性能差等問題。

本次課題研究了半固態(tài)重熔工藝對鎂合金組織與耐腐蝕性能的影響。半固態(tài)等溫?zé)崽幚硎?0世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一種半固態(tài)合金的制備方法，該方法將合金加熱到固液兩相區(qū)并保溫以獲得特殊的組織形態(tài)，是一種消除鑄件中枝晶粗大的有效方法。

本課題的主要意義是通過加強鎂的力學(xué)性能、耐蝕性的相關(guān)研究，積極探索增強鎂合金強度、耐蝕性的途徑，推動鎂合金作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。

2.鎂合金的發(fā)展概況

2.1國內(nèi)外鎂合金材料應(yīng)用的現(xiàn)狀

（1）通訊電子行業(yè)

鎂合金在電子行業(yè)中的應(yīng)用以3C產(chǎn)品(手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機)為主導(dǎo), 用鎂合金制造的殼罩與傳統(tǒng)塑膠殼罩相比, 具有如下優(yōu)缺點。優(yōu)點: 1)強度、剛度高, 鎂合金強度比塑膠的大4~ 5倍、剛度大20倍, 用作外殼, 可以做得更薄、更輕;2)散熱性好, 鎂合金的散熱性是塑膠的200倍~ 300倍, 比熱也比塑膠的大, 不易過熱;3)鎂合金導(dǎo)電性能佳, 有電磁屏蔽作用, 可防止電磁干擾和對人體的傷害, 不必另作導(dǎo)電處理。缺點: 1)制造周期長, 鎂合金制品制造工序冗長, 開模耗時長, 成型后還需二次加工和后續(xù)處理;2)生產(chǎn)成本高, 原料貴, 制造工序多, 產(chǎn)品的良品率低, 使鎂合金制品成本偏高;3)色彩變化少, 鎂合金本身為銀灰色, 只能用涂裝印刷變色, 無法如塑料殼那樣混色出多種色彩與紋路。綜上所述, 鎂合金與塑膠各有所長, 但隨著鎂合金制件加工方式的改進, 鎂合金具有越來越強的競爭力。（2）汽車行業(yè)

為減輕汽車重量以降低油耗, 以及“環(huán)保型汽車”對材料可回收性的要求, 鎂合金在汽車工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。目前汽車工業(yè)中鎂合金用量較多的地區(qū)和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。美國福特、通用、克萊斯勒3家公司在每輛汽車上采用的鎂合金鑄件分別達(dá)到30個, 45個和20個。瑞典最新推出的沃爾沃CP2000車型全重700 kg, 所用鎂合金件達(dá)50kg, 包括輪轂、離合器箱、轉(zhuǎn)向齒輪箱、后懸臂、發(fā)動機架、進氣歧管、氣缸體等重要部件。我國汽車廠使用鎂合金件還剛剛開始, 目前一汽、東風(fēng)和上海大眾等廠家已在使用, 上海桑塔納轎車的變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼等使用鎂合金量約8.5 kg。大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

（3）自行車行業(yè)

自行車是人力驅(qū)動的工具, 減輕質(zhì)量可以方便使用。作為自行車架, 鎂合金具有密度小、含量豐富、可加工性好、減振性能優(yōu)異(單位減振性能比硬鋁高100倍、比合金剛高20倍, 比鈦合金高300倍~ 500倍)等優(yōu)點。另外, 鎂合金制品具有較高的抗側(cè)向沖擊與負(fù)載的能力。中國臺灣自行車工業(yè)研究發(fā)展中心聯(lián)合多家自行車廠, 已經(jīng)開發(fā)完成鎂合金自行車。（4）生物醫(yī)用材料

鎂作為硬組織植入材料, 具有一系列突出的優(yōu)點, 如: 密度小(約為1.7g /cm3, 接近人骨的密質(zhì)骨密度1.75g /cm3)、比強度和比剛度高、加工性能好、彈性模量較低(和人體匹配, 能有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng))等。另外, 鎂參與人體內(nèi)一系列新陳代謝過程, 包括骨細(xì)胞的形成, 加速骨愈合能力。但是由于鎂及鎂合金的耐蝕性較差, 很難在腐蝕性較強人體生理環(huán)境的中長期發(fā)揮作用。因此, 增強耐蝕性成了鎂合金在生物材料領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。

日本在1999年9月啟動了/高級鎂合金科技研究平臺0項目, 擬在“ 新合金的開發(fā)”、“表面改性”、“生態(tài)材料”和“鎂合金的新功能與應(yīng)用”4個方面對鎂及鎂合金進行研究與開發(fā)。其中, 鎂合金應(yīng)用于生物材料的研究作為該項目的一個重要分支已取得了一定的成果。

2.2鎂合金成型方法

鎂合金零件的成形有壓力加工和鑄造, 鑄造以適應(yīng)性廣、成形性好而具有一定的優(yōu)勢。鎂合金零件的鑄造成形方法有砂型鑄造、重力金屬型鑄造、低壓鑄造、消失模鑄造、壓力鑄造、擠壓鑄造以及新型的半固態(tài)鑄造。（1）傳統(tǒng)鑄造方法

砂型鑄造投入少、工裝準(zhǔn)備時間短, 適于大件、小批生產(chǎn)。砂型鑄造精度低, 加工余量大。重力金屬型鑄造因采用了冷卻能力強的合金材料作為鑄型, 與砂型鑄造比, 生產(chǎn)效率高, 鑄件組織細(xì)化, 性能得到改善, 但工藝出品率低。低壓鑄造克服了重力鑄造的缺點, 通過調(diào)節(jié)填充氣氛的流量和壓力, 控制液態(tài)合金的充填速度和充型形態(tài), 并在一定的壓力下凝固。低壓鑄造的工藝出品率大大提高, 充型缺陷得到有效控制, 但澆道的開設(shè)和冒口的布置缺乏一定的靈活性;同時工序較多, 有一定的密封性要求。（2）消失模鑄造

消失模鑄造能方便地焊接、裝配模樣, 不用取模, 可以生產(chǎn)高精度、復(fù)雜的鑄件。從20世紀(jì)90 年代起, 真空負(fù)壓造型的消失模鑄造在中國獲得快速發(fā)展。鎂合金采用消失模鑄造具有的優(yōu)點是:a.采用干砂, 避免了普通砂型鑄造由水分引起的鎂合金燃燒問題, 且消失模汽化形成的還原性氣氛還可以抑制鎂合金氧化燃燒;b.鎂合金線收縮率是鋁合金的1.12倍, 熱裂傾向大, 干砂退讓性好, 可以有效解決這個問題。目前, 消失模鑄造應(yīng) 大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

用于鎂合金的生產(chǎn)已取得了初步進展。（3）壓力鑄造 傳統(tǒng)壓鑄。壓力鑄造屬于高壓成形方法。成形的液態(tài)金屬以很高的速度充型, 并在很高的壓力下凝固。壓力鑄造成形性好, 生產(chǎn)效率高, 生產(chǎn)的零件質(zhì)量好, 特別適合薄壁零件的生產(chǎn)。鎂合金在壓鑄方面存在如下優(yōu)勢:液粘度低、流動性好,易于充型;鑄件鑄造斜度小,僅為115 b(鋁合金是210b~ 315b);鑄件尺寸精度高;熔點和結(jié)晶潛熱低, 壓鑄過程中對模具的沖蝕小, 其模具壽命長;壓鑄周期短, 生產(chǎn)率高。這些優(yōu)勢使得壓鑄成為鎂合金最主要的成形工藝, 世界鎂合金鑄件的93%是用壓鑄工藝生產(chǎn)的。真空壓鑄及充氧壓鑄。真空壓鑄是在壓鑄過程中抽出型腔內(nèi)的氣體,以減少或消除在壓鑄件內(nèi)的氣孔和溶解于合金中的氣體, 提高壓鑄件的力學(xué)性能和表面質(zhì)量。充氧壓鑄是一種無孔壓鑄, 該法在充型前將氧氣或其它活性氣體充入型腔以置換型內(nèi)空氣, 充型時, 活性氣體與鎂合金液反應(yīng)生成彌散分布的金屬氧化物, 達(dá)到消除壓鑄件內(nèi)氣體和氣孔的目的。用該法生產(chǎn)的壓鑄件可以進行熱處理強化。(4)擠壓鑄造

擠壓鑄造是使金屬液在較高的壓力下成形和凝固, 該工藝充型速度相對較小, 補縮作用強, 極大地減少鑄件的疏松和氣孔缺陷, 提高鑄件的致密度, 獲得的鑄件可熱處理;同時, 該工藝能有效地增大合金與鑄型間的傳熱系數(shù)及冷卻能力, 獲得的鑄造組織晶粒細(xì)小, 是一種具有廣泛應(yīng)用前景的先進成形工藝技術(shù)。擠壓鑄造最重要的工藝參數(shù)是鑄型溫度、澆注溫度、合擠壓壓力、保壓時間和擠壓速度, 這些因素與鑄件的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。擠壓鑄造的充型壓力比重力金屬型鑄造要高幾個數(shù)量級, 要獲得無氣孔的擠壓鑄件, 凝固溫度區(qū)間越大所需的充型壓力越大。(5)半固態(tài)鑄造

半固態(tài)是指合金內(nèi)既存在球團狀固相又存在流體液相的兩相狀態(tài)。半固態(tài)鑄造是合金在凝固過程中, 進行劇烈攪拌或控制固-液溫度區(qū)間, 得到半固態(tài)組織, 然后澆注成形的方法。該工藝成形溫度低,凝固收縮小, 成形零件精度高, 質(zhì)量好, 是一種大有前途的鎂合金零件的成形方法。鎂合金半固態(tài)鑄造可分為: 流變鑄造、觸變鑄造和觸變注射成形。鎂合金半固態(tài)流變鑄造。鎂合金半固態(tài)流變鑄造, 是將經(jīng)攪拌等工藝獲得的半固態(tài)漿料在保持其半固態(tài)溫度的條件下直接進行半固態(tài)鑄造, 由于半固態(tài)金屬漿液的保存和輸送很不方便,因而這種方法投入實際應(yīng)用的較少。有人直接在壓鑄機壓室中用電磁攪拌方法制備半固態(tài)金屬漿液,然后將其擠入模具型腔成形。該工藝的關(guān)鍵是制得固相為球團狀的半固態(tài)組織。目前常用的半固態(tài)組織的制備工藝有: 機械攪拌法、電磁攪拌法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法和半固態(tài)等溫?zé)崽幚矸?、化學(xué)晶粒細(xì)化法、形變熱處理法、噴射沉積法等。鎂合金半固態(tài)觸變鑄造。觸變鑄造也叫觸變成形, 是將經(jīng)攪拌等工藝獲得的半固 大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

態(tài)坯料冷卻凝固后, 按所需尺寸下料, 再重新加熱到半固態(tài)溫度, 然后放入模具型腔中進行成形加工。

華東科技大學(xué)的萬迪慶[4]研究了半固態(tài)重熔加熱工藝參數(shù)對AZ91D鎂合金半固態(tài)組織演變及其耐蝕性的影響。結(jié)果表明：AZ91D鎂合金在液固雙相區(qū)進行重熔處理時，合金中低熔點共晶組織首先發(fā)生熔化并隔離α-Mg樹枝晶，其后被隔離的粗大α-Mg樹枝晶逐步演化成為類球晶甚至發(fā)生合并長大現(xiàn)象。半固態(tài)重熔處理中合金組織內(nèi)部共晶組織分散程度或枝晶球化程度越高越有利于提高合金的耐蝕性。注射成型。半固態(tài)觸變注射成形的工藝過程接近于注塑成形。首先將鎂合金錠加工切制成細(xì)顆粒狀, 將此種鎂合金顆粒裝入料斗中, 強制輸送到粒筒中, 粒筒中旋轉(zhuǎn)的螺桿驅(qū)使鎂合金顆粒向模具方向運動, 當(dāng)其到達(dá)粒筒的加熱部位時, 合金顆粒呈部分熔融狀態(tài), 在螺旋體的剪切作用下, 具有枝晶組織的合金料形成了具有觸變結(jié)構(gòu)的半固態(tài)合金, 當(dāng)其累積到一定體積時, 被高速(5.5m / s)注射到抽成真空的預(yù)熱型腔中成形。半固態(tài)合金在外力作用下可以像熱塑性塑料一樣流動成形, 但觸變注射成形的溫度、壓力和螺桿旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于注塑設(shè)備的。成形的加熱系統(tǒng)采用了電阻和感應(yīng)加熱的復(fù)合工藝, 將合金加熱至(582±2)℃, 固相體積分?jǐn)?shù)達(dá)60% , 同時通入氬氣進行保護。

2.3鎂合金表面防腐處理

鎂合金優(yōu)異的物理和機械性能使其近年來得到廣泛關(guān)注。鎂合金具有較高的比強度和比剛度，較強的電磁屏蔽和抗輻射能力，以及良好的減震性、切削加工性能等特點，在汽車、摩托車等交通工具，3C產(chǎn)品、航空航天、兵器工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。但是鎂是一種電負(fù)性極強的金屬，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為－2.37V，在潮濕，CO2，SO2，Cl-的環(huán)境里極易發(fā)生腐蝕。除此之外，鎂合金由于雜質(zhì)元素和合金元素的存在，還容易產(chǎn)生電偶腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂以及腐蝕疲勞，大大限制了鎂合金在工業(yè)、軍工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)外都加大了對鎂合金腐蝕問題的研究，以期通過有效的表面處理方法來提高鎂合金表面的抗腐蝕能力，使其能夠在不同的領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用。（1）化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理

鎂合金化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的防腐蝕效果優(yōu)于自然氧化膜[5],并且化學(xué)轉(zhuǎn)化膜可提供較好的涂裝基底。傳統(tǒng)的化學(xué)轉(zhuǎn)化法是鉻化處理，其機理是金屬表面的原子溶于溶液后，引起金屬表面的pH值上升，在金屬表面沉積鉻酸鹽與金屬膠狀物的混合物的過程，這種混合物在未失去結(jié)晶水時具有自修復(fù)功能，因而耐蝕性好。但由于鉻酸鹽處理工藝中含Cr6+離子，對環(huán)境造成污染且廢液的處理成本高，現(xiàn)已被其它的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜法所取代，如磷酸－高錳酸鉀轉(zhuǎn)化膜、稀土轉(zhuǎn)化膜等。磷酸－高錳酸鉀轉(zhuǎn)化膜處理方法主要是在鎂合金表面形成以Mg3(PO4)2為主的組成物，同時含有鋁、錳等化合物的磷化膜。經(jīng)過該處理所得的膜層為微孔結(jié)構(gòu)且與基體結(jié)合牢固，并具有良好的吸附性、耐蝕性，因而可作為鎂合金涂裝中的底漆層使用。趙明[6]等人對鎂合金磷酸鹽－高錳酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處理工藝進行了研究，發(fā)現(xiàn)pH值為4，K2HPO4的質(zhì)量濃度為150g/L,KMnO4的質(zhì)量濃度為40 g/L的 大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

處理液能顯著提高鎂合金表面的耐腐蝕性能。在鹽霧試驗溫度為30℃，鹽霧沉積率為0.0138 mL/（cm2·h）的條件下，連續(xù)噴霧24 h后，鎂合金表面所得膜的腐蝕率為8%，而鉻酸鹽處理工件表面腐蝕率為21%。這說明鎂合金磷酸鹽－高錳酸鹽化學(xué)轉(zhuǎn)化處理能提高鎂合金表面抗蝕能力。

Rudd等研究發(fā)現(xiàn)鎂及鎂合金在經(jīng)過pH值為8.5的鈰、鑭和鐠等稀土鹽溶液浸泡處理后，可以顯著提高鎂及其合金的表面耐腐蝕性能。但隨著浸泡時間過長，涂層的保護性能開始惡化，導(dǎo)致鎂合金表面的耐腐蝕性能也隨之降低。因此，為了得到較好的表面處理效果，在形成稀土轉(zhuǎn)化膜后應(yīng)立即進行封孔處理。（2）陽極氧化處理

陽極氧化處理[7,8]是鎂合金現(xiàn)今應(yīng)用較廣的一種表面處理方法。陽極氧化不同于化學(xué)氧化，它是通過電化學(xué)反應(yīng)，在金屬表面得到具有一定厚度、穩(wěn)定的氧化膜層，從而提高金屬表面耐腐蝕性能。

DOW17法和HAE法是20世紀(jì)50年代開發(fā)的陽極氧化技術(shù)。DOW17法生成的氧化膜是由Cr2O3，MgCr2O3及Mg2FPO4構(gòu)成，該氧化膜的耐蝕性和耐磨性好，但脆性較大。用HAE法制成的氧化膜是由MgO與MgAl2O4 構(gòu)成，膜層堅硬，耐磨性好，進一步噴漆后鹽霧試驗可達(dá)到500h。但這兩種工藝都含有劇毒的六價鉻離子，含鉻的化合物對環(huán)境和人類健康都有著不同程度的危害。因此，目前各國著力于研制一種環(huán)保型的電解液用于鎂合金的陽極氧化。等離子微弧陽極氧化是對陽極氧化工藝的繼承和發(fā)展。等離子微弧陽極氧化在陽極區(qū)產(chǎn)生等離子微弧放電，微弧氧化電壓[9]在140V～220V之間，火花放電短時間（1s～2s）里使金屬表面局部溫度升高至1000℃以上，從而使氧化物熔覆在鎂合金表面，形成陶瓷質(zhì)的陽極氧化膜，大大提高了普通陽極氧化膜的硬度和致密性。因此等離子體微弧陽極氧化比普通陽極氧化膜的耐蝕性和抗磨性均有提高。薛文彬等在濃度為10g/L的NaAl2O3溶液中用30kW的等離子微弧氧化裝置對鎂合金MB15進行2 h的微弧陽極氧化處理，對氧化膜分析發(fā)現(xiàn)，基材表面中的Zn元素會進入溶液，而溶液中的Al元素參與化學(xué)反應(yīng)并進入氧化膜內(nèi)，在膜表面形成貧Zn富Al層。將處理過的樣品在0.1%的H2SO4溶液中浸泡4 h后，白色氧化膜開始出現(xiàn)腐蝕坑，而未處理的鎂合金放入同一溶液中幾秒鐘后就出現(xiàn)明顯的析氫腐蝕。這表明鎂合金經(jīng)微弧陽極氧化處理后耐蝕性得到較大的提高。（3）金屬涂層處理

化學(xué)鍍是在鎂合金表面制備金屬涂層的常用方法。該方法制備的金屬涂層是通過溶液中的金屬陽離子還原為金屬原子沉積于鍍件表面來實現(xiàn)的，其中反應(yīng)所需的電子由基體金屬直接提供。其優(yōu)點有：可以在形狀復(fù)雜的樣品，特別在孔洞及深凹處制備厚度比較均勻的鍍層。目前已應(yīng)用于鎂合金的化學(xué)鍍層主要有Cu/Ni/Cr，Ni/Au，化學(xué)鍍鎳等?；瘜W(xué)鍍鎳是近年來應(yīng)用廣泛的一種方法?；瘜W(xué)鍍鎳主要有浸鋅法和直接化學(xué)鍍鎳2 種。浸鋅法其工藝流程與電鍍相同，其工藝過程為：表面處理－活化－浸鋅－鍍銅－化學(xué)鍍 大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

鎳/電鍍，但其工藝復(fù)雜，鍍液中含有CuCN，KCN，NaCN 等毒性較大的物質(zhì)，易對環(huán)境造成污染。直接化學(xué)鍍鎳是通過還原劑將水溶液中的鎳離子催化還原為金屬鎳并沉積到零件表面的方法。直接化學(xué)鍍鎳法工藝簡單、毒性小、廢水處理容易，而且鍍層的結(jié)合性能較好。玄兆豐等人對AZ91D鎂合金[10]進行了直接化學(xué)鍍鎳工藝的研究。工藝流程為：制樣－超聲波清洗－堿洗－水洗－酸洗－水洗－活化－水洗－化學(xué)鍍鎳－水洗－烘干。生成的化學(xué)鍍鎳層經(jīng)顯微硬度測試，鍍層HV 硬度為5500MPa～6000MPa，在經(jīng)過300h連續(xù)噴霧的中性鹽霧試驗檢驗后，鍍層未出現(xiàn)腐蝕斑點，表明鍍層具有良好的耐蝕性，為鎂合金基體提供了良好的保護。此外，熱噴涂也是在鎂合金表面制備金屬涂層的一種方法。熱噴涂是通過火焰、電弧或等離子體等熱源，將線狀或粉狀的材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，隨后將其形成高速熔滴，噴射于鎂合金基體表面，經(jīng)過冷卻后，在表面形成金屬涂層。該方法可以對鎂合金表面進行強化，從而提高鎂合金表面耐磨和耐腐蝕性能。常用的鎂合金表面熱噴涂處理方法有表面熱噴涂鋁、噴涂納米和陶瓷涂層材料等。

（4）有機涂層處理

有機涂層也是一種鎂合金防腐蝕的重要方法。有機涂層的種類很多，如油或油脂能在短時間內(nèi)保護鎂合金；環(huán)氧樹脂涂層由于具有很強的黏附力，與水不發(fā)生浸濕，并且強度高，從而應(yīng)用較為廣泛。盡管有機涂層的品種很多，操作簡單，適應(yīng)范圍較廣，是一種較為經(jīng)濟的鎂合金表面處理方法。但是，一般比較?。ê穸刃∮?μm）、有孔隙、機械性能差，在強腐蝕介質(zhì)、沖刷、沖擊、腐蝕、高溫下容易脫落，因此，只能在短時間內(nèi)對鎂合金進行保護。粉末涂層也是有機涂層的一種。該方法首先將添加顏料的樹脂涂層粉末涂于基體表面，然后加熱使其聚合熔合形成勻、無孔的膜層。由于環(huán)保，操作簡單，并能在粗糙表面形成均勻的厚度的膜層，同時涂層材料損失很小，且可使用不溶于有機溶劑的樹脂作為涂層粉末，故可作為涂漆工藝的理想替代涂層。鎂基體上得到的環(huán)氧基粉末涂層在鹽霧試驗和腐蝕循環(huán)試驗中表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。（5）有機鍍膜

森邦夫等研究開發(fā)的有機鍍膜技術(shù)[11]，是一種賦于金屬材料表面多功能化和高性能化的有效方法[12]。該方法采用三電極工作方式，鍍液為含有特殊功能基團的三氮雜嗪硫醇類有機化合物水溶液，在施加一定的電流或電壓和較短時間的條件下，有機化合物單體在鎂合金表面通過電化學(xué)反應(yīng)生成納米級厚度的有機功能薄膜，從而對鎂合金表面進行改性。由于該有機薄膜是通過三氮雜嗪類有機物中所含的功能基團與鎂合金表面反應(yīng)生長并相互聚合增厚得到，且該薄膜生長致密、排列有序，因而經(jīng)有機鍍膜處理后的鎂合金表面具有良好的抗腐蝕性能。此外，由于鍍液為功能基團可選的三氮雜嗪硫醇類有機材料，因而可以通過選擇不同的功能基團（如疏水、親水），達(dá)到鎂合金表面多功能化改性。

（6）物理氣相沉積 大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)是在真空條件下，采用各種物理方法，將固態(tài)的鍍料轉(zhuǎn)化為原子、分子或離子態(tài)的氣相物質(zhì)后，沉積于基體表面，形成固體薄膜的過程。按沉積薄膜氣相物質(zhì)的生成方式和特征可以將其分為真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍膜3種。中國科學(xué)院金屬研究所霍宏偉等人嘗試通過磁控濺射的方法對AZ91D鎂合金表面進行改性。試驗選用純Al材料作為靶材,試驗采用氬氣壓力為0.2Pa，功率15kW，基體溫度300℃，濺射時間1.5h。然而由于AZ91D鎂合金和Al之間的線性熱膨脹系數(shù)的差異，濺射Al薄膜層與鎂合金表面的結(jié)合力并不理想。Senf[13]等用PVD的方法在AZ91鎂合金表面沉積了Cr和CrN的多層膜。結(jié)果表明，這些膜層解決了膜層與基體結(jié)合力和耐磨性的問題，但是由于制得的膜層具有較多的孔洞，而導(dǎo)致表面的防腐能力較差。

（7）快速凝固和其它表面改性處理

快速凝固技術(shù)[14]是一種能夠有效的提高鎂合金耐蝕性的方法，其原因有2個方面：一是快速凝固合金的成分和組織均勻，能抑制局部腐蝕；二是快速凝固技術(shù)能提高合金的固溶度，使有害雜質(zhì)固溶于合金基體中，不易使有害相析出，從而減輕了腐蝕傾向；同時還能形成非晶態(tài)的氧化膜，提高合金的耐蝕性。實驗結(jié)果表明，快速凝固工藝可以將鎂合金的腐蝕速率降低至少2個數(shù)量級，并且點蝕電位大大提高。發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂時，快速凝固鎂合金的再鈍化速度和鈍化膜的完整性也大大高于普通鑄造鎂合金。除此之外，離子注入、激光表面熱處理和激光表面合金化等表面改性技術(shù)也能夠顯著的提高鎂合金的抗蝕性能。離子注入法是一種較新的表面改性方法，實驗證明，通過往金屬表面注入耐蝕性好的Al，Cr，Cu等元素，可大幅度的提高合金的耐蝕性。

3．課題的研究目標(biāo)和內(nèi)容

目標(biāo)：本課題主要研究目標(biāo)是半固態(tài)重熔工藝對鎂合金組織與耐腐蝕性能的影響。內(nèi)容：主要針對應(yīng)用最廣泛的AZ91鎂合金進行研究，通過考察對比鑄態(tài)樹枝晶與擠壓后的球形晶兩種初始狀態(tài)重熔加熱后的組織的變化，探討用于獲得半固態(tài)組織的較佳的初始狀態(tài)，為鎂合金的半固態(tài)成型奠定基礎(chǔ)。

（1）AZ91鎂合金試樣加工，確定獲得半固態(tài)組織的等溫處理工藝參數(shù)；（2）改變等溫溫度、等溫時間，對不同工藝參數(shù)下得到的試樣組織進行金相觀察；（3）進行浸泡腐蝕試驗；（4）分析討論試驗結(jié)果；（5）撰寫論文，準(zhǔn)備答辯；

4．實驗方案可行性分析及已具備的實驗條件

工廠可以提供原材料，學(xué)院試驗設(shè)備能保證基本的組織觀察。成形專業(yè)已經(jīng)學(xué)習(xí)了成型原理，合金熔煉及鎂合金的一些相關(guān)知識，有一定的專業(yè)基礎(chǔ)，同時通過實驗課程的學(xué)習(xí)學(xué)生已具備了基本的應(yīng)用檢測儀器的能力，會制作金相試樣，會進行組織觀察。這些都保證了畢業(yè)設(shè)計能順利的進行。大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

參考文獻(xiàn)

[1] 劉文龍,王淑琴．鎂合金應(yīng)用及發(fā)展論述[J]．才智，2011.9.28 [2] 丁文江.鎂合金科學(xué)與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.[3] 陳振華.變形鎂合金[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.[4] 萬迪慶.鑄造，2012,6 [5] 王維青, 潘復(fù)生, 左汝林.兵器材料科學(xué)與工程[J],2006, 29(2): 73 [6] 趙明, 吳樹森, 羅吉榮等.特種鑄造及有色合金[J],2006, 25(6): 328 [7] 程英亮, 陳振華, 王慧敏等.機械工程材料[J], 2005,29(5): 1 [8] 高瑾, 涂運驊, 李久青.腐蝕科學(xué)與防護[J], 2005,17(3): 169 [9] 王燕華, 王佳, 張際標(biāo).中國腐蝕與防護學(xué)報[J],2005, 25(5): 267 [10] 玄兆豐, 劉景輝, 王立夫等.汽車工藝與材料[J], 2005,8: 20 [11] Mori K, Kang Z X, Oishi Y.Polymer Journal[J], 2005,37(11): 862 [12] Kang Z X, Li Y Y, Mori K.Materials Science Forum[J],2005, 488～489: 661 [13] 吳國松, 曾小勤, 郭興伍等.材料工程[J], 2006, 1: 61 [14] 李衛(wèi)平, 朱立群.材料保護[J], 2005, 38(2): 41