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鎂合金壓鑄模鑄件微弧氧化表面
來源：本站 瀏覽：5370 發(fā)布日期：2020-12-18 06:58:58
鎂及鎂合金是目前所知工程材料中*輕的金屬。 與其它工程材料相比，鎂合金是金屬，具有金屬的特質(zhì)，具有很高的比強(qiáng)度和比鋼度，被譽(yù)為 21世紀(jì)的金屬，又由于其質(zhì)量輕，同一重量下生成的零件多且價(jià)格便宜，近年來在電子、汽車、航空航天等領(lǐng)域得到一定的發(fā)展，而且發(fā)展前景越來越好，但鎂合金容易氧化，耐蝕性較差，是制約其發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的一個(gè)主要因素，采用微弧氧化技術(shù)又稱微弧放電氧化 （Micro-arc Discharge Oxidation, MDO）可以解決這一問題。 該方法是將壓鑄鎂合金鑄件**浸到硅酸鹽溶液內(nèi)，引入脈沖電源，使其高壓放電，并在陽*區(qū)產(chǎn)生等離子微弧放電，火花放電使陽*表面局部溫度升高，微區(qū)溫度高于 3000 ℃，從而使陽*氧化物熔覆于金屬表面，形成陶瓷質(zhì)的陽*陶瓷層，*大提高了膜層的綜合性能。 但一些資料提供的工藝參數(shù)只在實(shí)驗(yàn)室下獲得，未見生產(chǎn)應(yīng)用，且大多只局限于小型工件范圍內(nèi)，如在電源系統(tǒng)輸出電流為 100~300 A 時(shí)，一次性處理面積僅為0.05~0.20 m2。 而對(duì)于大型的鎂合金工件(表面積在0.5 m2以上)進(jìn)行微弧氧化時(shí)，也有相關(guān)報(bào)道，但未見生產(chǎn)應(yīng)用效果。
1 微弧氧化技術(shù)電解車間工藝管線設(shè)計(jì)及所用主要設(shè)備
1.1 微弧氧化技術(shù)電解車間工藝管線設(shè)計(jì)
1.2 微弧氧化技術(shù)所用的主要設(shè)備
自制的 MAO-400 微弧氧化電源是微弧氧化生產(chǎn)線的關(guān)鍵，為超大功率脈沖電源。正電壓*大值可達(dá) 600 V， 負(fù)電壓*大值可達(dá) 400 V， 脈沖頻率從100~1 000 Hz 可調(diào)，正脈沖個(gè)數(shù)從 1~100 可調(diào)，負(fù)脈沖個(gè)數(shù)從 1~20 可調(diào)，占空比從 10%~90%可調(diào)，可以同時(shí)加工 3~4 個(gè)總面積達(dá) 2 m2的鎂合金輪轂，總處理表面積達(dá) 8 m2，陶瓷層*大厚度達(dá) 40 μm。在調(diào)試中，設(shè)備運(yùn)行比較穩(wěn)定，安全性能較好，遇到意外情況可及時(shí)切斷電源，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。 同時(shí)，該設(shè)備還可以對(duì)鋁合金等其他金屬進(jìn)行微弧氧化表面處理，調(diào)試結(jié)果同樣可以達(dá)到用戶的要求。*終對(duì)加工過的鎂合金輪轂進(jìn)行質(zhì)量鑒定，陶瓷層的厚度、硬度、光潔度均達(dá)到了使用的要求。
和電源一樣， 也是微弧氧化技術(shù)生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備。 電解槽尺寸為 800 mm×1 100 mm×1 600 mm，有效容積為0.9 m3， 能同時(shí)處理 3~4 個(gè)大型鎂合金壓鑄模輪轂。 電解液的流量保持在 15 m3/h，電解槽和中間槽的總有效體積為 6 m3左右， 可以滿足攪拌、流動(dòng)、冷卻等要求。電解液為堿性溶液，能腐蝕鐵等不耐堿的金屬，故選用塑料做電解槽箱體材料。工作時(shí)陽*經(jīng)常吊裝， 工作電壓在 200 V 左右屬于高壓，在電*的兩頭安裝了安全保護(hù)裝置，防止觸電。內(nèi)部的攪拌和循環(huán)系統(tǒng)用來提高電解液的均勻性并起到冷卻電解液及消電離。電解液中間槽同電解槽的材質(zhì)一樣， 工作過程是封閉的，保證電解液清潔。
冷卻塔采用廢棄的較大型油罐改裝而成， 通過熱交換器進(jìn)行能量交換，再通過冷卻塔進(jìn)行冷卻，保證電解液適宜的溫度。
2 微弧氧化處理工藝
汽車工業(yè)學(xué)會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件鎂合金壓鑄鑄件有質(zhì)量要求，特別是耐蝕、抗磨、抗劃傷性能，其次是表面光潔，基于以上要求，結(jié)合微弧氧化技術(shù)的特點(diǎn)，本課題組設(shè)計(jì)了微弧氧化技術(shù)生產(chǎn)管線， 研究了該技術(shù)的微弧氧化機(jī)理以及工藝參數(shù)， 在鎂合金壓鑄模鑄件表面生成了表面光潔的白色的抗腐蝕性、高硬度均較好的的陶瓷層。
2.1 微弧氧化機(jī)理
首先把鎂合金壓鑄模鑄件放入到硅酸鹽溶液中， 采用交流雙脈沖微弧氧化電源在鎂合金壓鑄模鑄件表面產(chǎn)生微弧放電電火花，瞬時(shí)溫度達(dá)到 3000 ℃以上，直接把鎂合金氧化燒結(jié)，成功的在AM 60B 鎂合金壓鑄模鑄件（陽*）上沉積出硅酸鹽陶瓷層，而陰*電流可以不斷地減薄膜層， 以保證陶瓷層的質(zhì)量。該陶瓷層堅(jiān)硬且表面光滑，既有高的耐磨性及耐蝕性能，又保持了陶瓷與基體的結(jié)合力。 與噴漆、自蔓延高溫合成、鉻化電鍍等表面處理方法比較，克服了表面膜層致密性差和結(jié)合力不強(qiáng)等缺點(diǎn)。
2.2 研究方法及工藝流程
通過增加鎂合金壓鑄模鑄件表面微弧氧化預(yù)處理，改變硅酸鹽電解液配方，調(diào)整微弧氧化技術(shù)設(shè)備工藝參數(shù)等方式， 獲得硅酸鹽陶瓷層的金相組織和使用性能，通過金相顯微鏡及鹽霧試驗(yàn)檢測(cè)，進(jìn)行觀察和檢測(cè)陶瓷層的微觀組織和表面質(zhì)量。
工藝流程為： 改變電解液配方→設(shè)定微弧氧化技術(shù)設(shè)備工藝參數(shù)→鎂合金壓鑄模鑄件堿洗 （除去輪轂表面油污）→清水槽清洗→直流電源建立陶瓷層（微弧氧化前預(yù)處理）→微弧氧化技術(shù)處理（15~20 min）→清水槽再次清洗 1~3 min（除去電解液）→熱水封閉 處 理 （ 溫 度 80 ℃ ；15~20 min）→ 冷 水 槽 冷 卻（2 min）→取出輪轂鑄件→烘干→清理檢查→完成。
2.3 微弧氧化技術(shù)設(shè)備工藝參數(shù)
鎂合金鑄件的表面積為 0.48m2，屬于表面積較大鎂合金鑄件。 電壓設(shè)定范圍 80~220 V，電流密度設(shè)定范圍為 0.8~1.5 A/dm2，氧化時(shí)間為 20~30 min，頻率設(shè)定范圍為 500~700 Hz， 占空比設(shè)定范圍為15%~25%。
3 微弧氧化設(shè)備工藝參數(shù)的影響因素
3.1 電解液濃度對(duì)微弧氧化設(shè)備工藝參數(shù)的影響
改變電解液配方的濃度范圍： 硅酸納 10~50g/L，甘 油 20~40 g/L， 氫 氧 化 鈉 1~20 g/L， 氟 化 鉀1~50 kg/L。 隨著電解液濃度增大，特別是氫氧化鈉和氟化鉀濃度的增大，堿性值越大，起弧電壓很低，很容易產(chǎn)生電火花，但對(duì)陶瓷層的溶解作用也增大，不利于陶瓷層的生成。當(dāng)其它成分不變時(shí)，將硅酸納濃度提高到 50 g/L，氫氧化鈉濃度提高到 44 g/L 時(shí)，電火花起弧電壓只需 70 V，但工件表面出現(xiàn)團(tuán)狀的大的弧光，這是鎂合金金屬大量燃燒的結(jié)果，等處理完畢后，檢查陶瓷層，發(fā)現(xiàn)陶瓷層呈花狀，呈不均勻分布。減少硅酸納及氫氧化鈉濃度時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電火花起弧非常困難，起弧電壓峰值需達(dá)到 200 V 以上，且加在輪轂鑄件上的電壓、電流的波動(dòng)較大，會(huì)損壞微弧氧化電源。 經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出*佳的組成溶液濃度為：甘油 32g/L，硅酸納 26g/L，氟化鉀12 kg/L，氫氧化鈉 10 g/L。
3.2 微弧氧化處理工件表面積對(duì)工藝參數(shù)的影響
為了研究工件表面積對(duì)工藝參數(shù)的影響， 在*佳的組成溶液濃度下，分別選用 0.04、0.60、1.1、1.7、2.2 和 2.9m2的鎂合金壓鑄模鑄件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出以下規(guī)律： 微弧氧化技術(shù)電火花的出現(xiàn)前提是工件表面必須先形成一定厚度的膜層， 而且膜層的形成時(shí)間較長(zhǎng)，大約需要 10~20 min，且膜層形成所需的電壓較?。浑S著壓鑄件表面積的增大，形成膜層所需的電流也在增大，但電壓變化不大；隨著膜層不斷的增厚， 形成電火花所需的電流和電壓會(huì)產(chǎn)生突變， 處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)。 當(dāng)膜層增長(zhǎng)到一定厚度后，增加處理壓鑄件兩端的電壓到 150 V 左右時(shí)，可以看到壓鑄件表面出現(xiàn)零星的電火花微弧放電，繼續(xù)增加電壓的數(shù)值，電火花微弧放電越來越劇烈，就像滿天的星星在閃耀，明亮且不斷的在跳動(dòng)，這時(shí)，電火花微弧放電所需的電流與電壓基本上呈線性比例的增大。當(dāng)電壓達(dá)到 180 V 時(shí)，壓鑄件表面出現(xiàn)了大量的非常密集的微小的微弧放電電火花， 壓鑄件表面膜層質(zhì)量較好，光滑而均勻，在增加電壓到 200V 左右，微弧放電電火花開始變成小的電弧光，壓鑄件表面出現(xiàn)小面積坑蝕現(xiàn)象， 而此時(shí)電流的增長(zhǎng)速度則比較緩慢。再增大電壓的數(shù)值，電流基本上處于某一數(shù)值不動(dòng)時(shí)，表明膜層已達(dá)到一定厚度，微弧氧化處理的化學(xué)反應(yīng)基本趨于穩(wěn)定， 電火花又出現(xiàn)零星的分布，微弧氧化處理過程也即將完成。如果此時(shí)再繼續(xù)增大電壓數(shù)值，會(huì)出現(xiàn)明顯的電弧光現(xiàn)象，且是大面積的呈現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象膜層表面也會(huì)出現(xiàn)小裂紋， 壓鑄件微弧氧化處理后表面質(zhì)量變差。 生產(chǎn)實(shí)踐表明， 大面積壓鑄件微弧氧化表面處理技術(shù)*佳電規(guī)程為： 電壓 180 V， 電流密度 1.1 A/dm2， 頻率700 HZ，占空比 20%，氧化時(shí)間為 30 min。
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