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        鎂合金液相等離子體電解滲硼技術(shù)的研究

        2013-09-26 02:02:22李奇輝樊斌鋒王文科
        電鍍與精飾 2013年10期
        關(guān)鍵詞:耐蝕性鎂合金電解

        李奇輝 樊斌鋒 王文科

        (蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)

        引 言

        我國滲硼技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代,金屬滲硼后可以有效提高其耐蝕和耐磨性能,傳統(tǒng)的滲硼技術(shù)有固體法、液體法和氣體法等[1]。液相等離子體電解滲硼技術(shù)屬于等離子體電解沉積的范疇,是在一個(gè)開放的大氣環(huán)境下,特定的電解液配方中,處理較短時(shí)間即可獲得耐磨、耐蝕及高硬度的滲透層。與傳統(tǒng)的滲硼技術(shù)相比,液相等離子體電解滲硼技術(shù)具有工藝簡單、滲透時(shí)間短、工件不易變形及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。目前對液相等離子體滲透硼技術(shù)研究并不多,且對于表面改性層的微觀分析和形成機(jī)理等缺乏探討。鎂合金相對密度小、比剛度和比強(qiáng)度高且具有良好的電磁屏蔽性等優(yōu)點(diǎn),但其自身的電極電位較負(fù),表面易腐蝕形成疏松多孔的氧化膜,這些制約了鎂合金的應(yīng)用[4]。本文基于對AZ91D鎂合金經(jīng)過滲硼處理后形成的鎂合金表面改性層,進(jìn)行了物相組成分析,測量了硬度的變化,并對基體和經(jīng)過滲硼處理后的試樣耐蝕性進(jìn)行了對比,分析耐蝕性的變化。

        1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

        實(shí)驗(yàn)材料為 AZ91D鎂合金,試樣尺寸為d 28mm×11.8mm。經(jīng)鉆孔、打磨、清洗后接電源陽極,陰極為石墨電極。設(shè)備采用雙極性脈沖微弧氧化專用電源,主要裝置包括實(shí)驗(yàn)槽、攪拌和冷卻系統(tǒng)等[5]。等離子體滲硼裝置如圖1所示。

        圖1 等離子體滲硼裝置示意圖

        1.2 電解液

        電解液選用10~20g/L硼砂(Na2B4O7)為滲硼劑,鈉鹽為活化劑,用去離子水配制。電源為雙極性脈沖微弧氧化電源,占空比為91%,在80s內(nèi)均勻加載電壓,至試樣表面均勻放電,持續(xù)至5min結(jié)束。

        1.3 工藝流程

        等離子體滲硼工藝流程:試樣打磨→超聲波清洗→等離子體滲硼處理→水洗→酒精擦洗→風(fēng)干。

        1.4 分析方法

        使用D/MAX-2400型X-射線衍射儀(XRD),對處理的試樣進(jìn)行物相組成分析。陽極為銅靶,掃描速度為 2°/min,電子加速 U 為 40kV,I為 60mA[6]。對實(shí)現(xiàn)滲入的試樣進(jìn)行鑲嵌,經(jīng)過磨光、拋光、4%硝酸和96%酒精組成的溶液腐蝕后,在JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡下,觀察處理后的試樣表面改性層的截面形貌。用HX-1000TM顯微硬度計(jì)測試試樣截面的顯微硬度,荷載為0.245N,加載10s。選用電化學(xué)工作站對AZ91D鎂合金基體及經(jīng)過滲硼處理后的試樣在3.8%NaCl溶液中測量極化曲線,對比分析耐蝕性的變化。參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為鉑電極,試樣 A為1cm2,步長為0.1V。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 滲硼層相組成分析

        圖2 為AZ91D鎂合金經(jīng)過滲硼處理(PES)后的X-射線物相分析圖。由圖2可以看出,AZ91D鎂合金試樣經(jīng)滲硼處理后的表面物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為Mg(BO2)2,此外還有 MgC2生成。Mg(BO2)2和MgC2均可顯著提高鎂合金的耐蝕、耐磨性能。

        圖2 滲硼表面改性層的XRD譜圖

        在高電壓、大電流的作用下,試樣表面的溫度迅速升高,硼砂分解出足夠多的活性硼原子,這些活性硼原子被試樣表面吸收,最終達(dá)到滲硼的效果,從而改善鎂合金表面性能的效果。

        2.2 表面改性層形貌分析

        采用掃描電子顯微鏡觀察鎂合金滲硼處理后試樣的表面形貌,圖3為表面形貌照片。

        圖3 滲硼層的微觀組織

        由圖3(a)可以看出,鎂合金滲硼處理后的表面孔洞、裂紋較多,且分布不均勻,這是因?yàn)樵嚇邮窃诟唠妷?、大電流的環(huán)境下滲硼處理,實(shí)驗(yàn)反應(yīng)很激烈。圖3(b)是鎂合金滲硼處理后試樣經(jīng)過鑲嵌、拋光、腐蝕處理后的截面形貌照片??梢钥闯觯瑵B硼處理后的表面改性層含有多層,第一層為試樣邊緣較薄的白色化合物層,約3~4μm;第二層為顏色較黑的滲透層,該層較為明顯,最厚處δ可達(dá)20μm。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在滲透層外還有一個(gè)擴(kuò)滲層,該層由于滲硼元素很少,所以顏色并不明顯。

        2.3 表面改性層的硬度

        圖4 為鎂合金AZ91D經(jīng)切割、打磨和拋光后,使用顯微硬度儀對截面硬度進(jìn)行測量所得的硬度曲線圖,測量步長為0.01mm。結(jié)果顯示,經(jīng)過滲硼處理后,截面硬度顯著提高,在20μm處截面硬度達(dá)到最大值,測量距離達(dá)到30~50μm時(shí),硬度值逐漸減小,當(dāng)測量距離超過60μm時(shí),硬度值趨于穩(wěn)定。經(jīng)測量,硬度最大值可達(dá)82.04HV。

        圖4 硬度隨滲硼層厚度的變化曲線

        2.4 耐蝕性

        圖6 是對AZ91D鎂合金基體及經(jīng)過滲硼處理的試樣進(jìn)行極化曲線測試分析,電化學(xué)參數(shù)列于表1。結(jié)果顯示,經(jīng)滲硼處理后鎂合金試樣腐蝕電壓有所提高,由 -1.563V升高至 -1.503V;腐蝕電流明顯減小,由 2.0830 A/m2降至 0.5996A/m2;極化電阻顯著增大,由172Ω增加到664Ω??梢娊?jīng)過滲硼處理后,試樣表面的耐蝕性明顯提高。

        圖5 極化曲線

        表1 極化曲線測試擬合結(jié)果

        2.5 滲透機(jī)理分析

        在鎂合金基體上采用液相等離子體電解滲硼技術(shù),提高了鎂合金表面硬度、耐磨性和耐蝕性。滲硼機(jī)理分析認(rèn)為,硼砂(Na2B4O7)在700℃時(shí)發(fā)生下列反應(yīng)[7]:

        在陰極上有鈉離子放出。

        在陽極上發(fā)生反應(yīng):

        按上式產(chǎn)生的Na與B2O3之間發(fā)生如下反應(yīng):

        實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),影響滲硼效果主要取決于工件表面的溫度能否使電解液中硼砂激發(fā)出活性硼原子,即達(dá)到所需的滲硼溫度(700℃)。在滲透過程中,逐漸加大工作電壓,電流隨之變大,工件表面的溫度迅速升高,當(dāng)達(dá)到臨界滲透溫度時(shí),試樣表面出現(xiàn)劇烈火花放電現(xiàn)象,電解液中激發(fā)出大量活性硼原子。在滲入過程中,工件表面形成高濃度的等離子區(qū),高能態(tài)的活性硼原子轟擊試樣并實(shí)現(xiàn)滲硼,最終在工件表面以化合物形式存在。

        3 結(jié)論

        1)AZ91D鎂合金試樣經(jīng)過電解滲硼處理后的表面改性層物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為 Mg(BO2)2,此外還有MgC2。

        2)表面改性層的硬度隨著距離表面深度的增加不斷減小,當(dāng)微觀硬度到第三個(gè)點(diǎn)時(shí),基本趨于穩(wěn)定。

        3)用電化學(xué)工作站進(jìn)行極化曲線測試分析,結(jié)果顯示,經(jīng)過電解滲硼處理后,AZ91D鎂合金耐蝕性相比基體明顯提高。

        [1]陳樹旺,程煥武,陳衛(wèi)東.滲硼技術(shù)的研究應(yīng)用發(fā)展[J].國外金屬熱處理,2003,24(5):8-12.

        [2]Yerokhin A L,Nie X,Leyland A,et at.Plasma electrlysis for surface engineering[J].Surf Coat Technol,1999,122:73-93.

        [3]魏同波,田軍.液相等離子體電沉積表面處理技術(shù)[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,21(3):450-455.

        [4]呂維玲,郝遠(yuǎn).AZ91D鎂合金微弧氧化膜制備的調(diào)控及膜層表征方法的究[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2010:1-2.

        [5]李杰,沈德久,王玉林.液相等離子體電解滲透技術(shù)[J].金屬熱處理,2005,(9):63-67.

        [6]馬穎,陳雪瑩,王勁松,等.45鋼表面液相等離子體碳氮共滲[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,(10):1-3.

        [7]Seong Ho Han,John S.Chun.A study on the electroboronizing of steel by superimgosed cyclic current[J].Journal of materials science,1980,15(6):1379-1986.

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