高耐磨镁合金复合涂层综合探讨

高耐磨镁合金复合涂层综合探讨1.1镁合金概述镁元素在地壳中含量丰富，其中海水和矿物是目前所使用的镁资源主要来源。

镁属于轻质金属，纯的金属镁呈银白色。

以镁金属为主，加入其他元素或物质组成镁合金，镁合金密度范围在1.76g/cm3到1.84g/cm3之间，仅为铁的四分之一。

镁合金拉伸强度较高，通常为250MPa，根据不同的合金元素及加工方式，最高能达600MPa以上。

膨胀系数为25～26μm/m℃。

主要以铝、锌、锰、钍或少量的锆、镉等元素合金。

镁合金比其他常用的合金的密度小，除此之外还具有高比强度和高的比刚度等特点，作为结构部件时能明显降低震动带来的能量，继而具备降噪消音等性能。

不仅如此，镁合金能够进行加工切削、电焊连接、抛光表面等，是代替铝合金、钢材结构部件的候选材料之一。

在一些元素合金或特点的加工锻造出来的镁合金，刚度和强度都能高于铝合金以及钢材。

随着厚度的增加，镁合金的刚度也随之增加，在相同形状下，镁合金产品的刚度几乎要高出十倍。

由于镁合金的单位重量下，其强度比一般的工程塑料要大很多，即使美合金的密度较大，也能做出比工程塑料更加轻薄的结构部件，从而达到增强结构、轻量化等目的[1]。

镁合金熔点相对于其他合金低，利于加工压制成型，成型的结构件壁厚可达到很小的厚度，从而拥有广泛的应用领域，镁合金还具备熔融压铸等属性，与铝合金一样[2]，均可回收再利用。

1.2镁合金应用及前景镁金属为密排六方晶体结构，其硬度和塑性很低。

由于纯镁易燃，不适合作为结构材料，而镁合金材料具有高的力学性能和低的密度，化学性质比镁金属稳定许多，能够作为理想的结构材料。

适合用于轻质量、高强度、隔音屏蔽的工程结构部件以及航空、航天、汽车零部件等。

镁合金具有优良的导热性能及导电性能，成型压铸简易，可回收重复使用，污染低等特点，使其无可厚非的成为更具有应用价值和应用前景的合金材料。

石油的不可再生属性以及燃烧后带来的污染，使人们不断的在汽车领域追求省油、减少汽车尾气的排放。

而汽车燃烧汽油产生的能量大部分都用在克服汽车自重，为了追求极致的轻量化，镁合金起到了越来越重要的作用。

镁合金高强度兼备质量轻，将镁合金应用到汽车中，汽车重量能够大幅降低，油耗也随之降低，并且燃油转换率提高，也能帮助减少尾气的排放 [3]。

镁合金良好的阻尼衰减能力强，吸收振动能量的能力强，大约是铝合金的6-30倍，可以帮助汽车降低噪音和振动，大大提高了汽车内部的静谧性和安全性。

在部分品牌汽车中已有部分零件采用镁合金铸件。

如曲轴箱、凸轮轴链轮、齿轮箱，车内面板和电动发电机臂等，甚至部分跑车、赛车的变速器叉形杆件、发动机框架以及发动机零部件，如进气歧管也都用镁合金锻造。

除了传统的镁合金外，镁基体泡沫复合材料在受到压缩时，具有高的能量吸收能力和抗冲击性能[4]，因此，认为其在汽车零部件领城具有很好的应用前景。

在冲击载荷下，镁基发泡复合材料具有很高的能量吸收能力，因此，人们认为它也是一种很有前途的新材料。

可以用这种低密度复合材料充填汽车的前端缓冲区、A柱和B柱，以使汽车结构具有很高的能量吸收特性，在汽车受到强烈撞击时能更好的保持车辆内部空间，减少对人的伤害。

在飞机机舱内环境中，现已证明新研发的不易燃烧的高性能镁合金具有安全保障性，现允许生产飞机机舱内构件[5]。

镁合金能降低航空器的重量，可用于生产机舱门板、齿轮箱和变速器[6]。

镁-锂系列的合金为最小密度的镁合金，其拉伸性能、抗冲性能以及刚性和可塑性均比其他系列的合金高，将来有希望成为航空航天领域上的材料[7]。

这些行业和领域对镁合金的大量需求，使镁合金生产技术得到快速革新，生产成本以及使用成本得到降低，从而促进了镁合金在医疗、计算机、仪器仪表、家电、建筑工程、轻工领域的应用和发展。

1.3镁合金的腐蚀原理及防腐技术镁合金虽然具备各种优良特性，但目前为止，镁合金并没有能够完全替代钢材、铝合金而在各行业大规模运用，其最主要是镁合金耐腐蚀性差，若不做防腐处理或表面涂层，便会发生腐蚀，直至失去原有的使用价值 [8]。

镁合金的腐蚀是指在不同的工作介质中，发生化学、电化学作用引起的变质和破坏。

镁合金的腐蚀机理大致归为：1、镁的标准电极电位较低，甚至比铝、铁还要低，仅仅高于锂、钠、钾三种金属，在工业应用金属中，活泼性为最高。

在绝大部分环境中都易受到腐蚀2、镁合金在生产加工过程中，不可避免的会有杂质元素在镁合金之中，导致易引发电偶腐蚀，这些杂质元素往往成为电偶中的阳极。

3、一部金属表面或合金表面都会形成一种紧密的氧化薄膜，防止腐蚀介质进一步接触金属，达到防腐作用，但镁合金表面形成的氧化膜较为脆弱，且疏松多孔[9]，这种孔状的氧化膜无法阻止镁合金继续腐蚀。

目前有几种常用的方法提高镁合金防腐能力。

在生产锻造过程中提高其纯度，减少杂质元素，通过改进冶金方法降低杂质含量，制造高纯镁合金和高温耐蚀镁合金；加入提高镁合金抗腐蚀能力的元素，如稀土元素[10]；采用表面处理，也可以提高镁合金耐蚀能力，通过表面处理在镁合金表面营造疏水性，阻断或减少镁合金与潮湿空气或液体介质的直接按触，从而改善其耐蚀性能。

表面处理方法有激光表面处理、电弧镀层、化学转化、涂层、阳极氧化、镁合金表面沉积铝等。

钢铁、铝合金和锌合金化学转化曾广泛采用以铬酸盐为主要成分的处理方法，但这种处理方法会产生有毒性、易致癌的六价铬 [11]，随着人们健康意识得到重视和环保趋势，这种处理方法被严格限制使用,但其形成的膜耐蚀性好，取代此方法有一定的困难，对镁合金更是如此。

1.4镁合金表面涂层的应用在镁合金的表面生成具有保护性能的涂层，在众多镁合金防腐蚀的方法中，以其施工简单、经济适用、不受设备形状的约束以及具有--定的装饰效果而被广泛应用。

防护涂层通常作为最后一道防护措施与其它防腐蚀手段配套使用。

该技术的关键是提高涂层的附着力和增强涂层的耐蚀性。

底层表面粗糙度与涂层材料的性质决定着附着力和耐蚀性。

涂层的保护作用是在金属机体和环境介质间充当阻挡层，阻碍水、离子、O、电荷传至机体，阻止腐蚀电路的形成[12]。

2对于高活性的镁合金材料，采用具有抑制、延缓底材腐蚀，对底材起一定钝化作用的防腐底漆来降低镁合金的反应活性。

如采取环氧封闭钝化防腐底漆-环氧抗静电面漆配套，也能达到对镁合金的封闭防腐、抗静电、耐老化等目的。

硅烷处理技术是一种环保型金属表面技术，具有容易控制反应、操作简单、生产成本低、环保、耐腐蚀性高等特点，被逐渐应用于镁合金的防腐研究中[13]。

但由于硅烷膜层存在微裂纹，腐蚀性介质会由此进入膜层与基体交界处，发生电化学腐蚀，故采用稀土元素作为缓蚀剂，弥补涂层裂纹。

其中，铈盐不仅能减缓腐蚀速度，还能对涂层的自修复起到一定作用。

因此，采用硅烷与硝酸铈结合的方法来提高基体的耐蚀性能。

1.5镁合金复合涂层研究进展随着镁合金应用领域的发展，人们对镁合金材料的要求越来越高，传统的涂层技术已经不能满足需求。

复合涂层技术的发展在一定程度上弥补了普通单涂层的不足。

化学转化膜能够与其他防腐工艺相结合形成复合涂层。

其在复合涂层中多充当中间层的角色。

比如转化膜与有机层形成复合涂层。

转化膜一方面能够降低镁合金基底在电泳漆中的腐蚀速率，另一方面增强了电泳漆层与基地的结合力[14]。

化学转化膜与其他工艺结合后，自身的缺点得到优化，涂层耐久性有明显提高。

阳极氧化也能够与化学转化膜、金属镀层等形成复合涂层。

采用有机层密封处理的能够有效的提高氧化层的耐蚀性，主要问题是密封层的厚度，一般的涂装都要经过多次浸涂，但是随着涂层的增厚，涂层的结合力会发生问题。

采用金属镀层对阳极氧化表面进行处理能够弥补氧化层的一些缺点，如降低表面的孔隙率、提高表面光滑度、提高表面硬度、增强表面导电性、提高耐磨性[15]。

有机复合涂层中，采用油脂、聚氨酯、油漆、环氧树脂等，经过几重工序加工，形成具有一定厚度的涂层，覆盖在镁合金的表面，使镁合金与致蚀介质隔离，有效的防止合金与介质形成电路，提高了镁合金的耐腐蚀能力。

有机涂层的工艺可分成直接作用和间接作用两种。

直接作用涂层是采用两边的双极性聚合物分子直接作用在镁合金表面上，而这些涂层后期还需要进一步处理。

间接作用涂层是采用具有活性官能团的聚合物与化学转化膜、镀膜上覆盖有机涂层，使用这种方法是有机复合涂层研究是最多的[16]。

有机涂层的涂层工序较为经济、实用、简便，常常为最外层的一层。

涂层且种类繁多，而有机涂层在使用过程中容易剥离、脱落，其防护效果短暂，涂层之间有缝隙，在比较严苛的环境下，如摩擦、碰撞、遇酸、高温、高压冲淋等，有机涂层的保护作用便大打折扣，使镁合金的使用受到局限。

何效凯,黄震等在复合有机防护涂层研究中，首先采用镁合金表面进行无铬化学转化膜处理，再在转化膜表面上喷涂底漆和面漆形成复合涂层，涂层成膜过程中与聚合物交联，提高复合膜的致密性和耐蚀性[17]。

1.6高耐磨镁合金复合涂层研究意义镁合金足够优秀的各项性能告诉我们，在将来能有无可替代的应用前景，但镁合金的防腐能力较差，其氧化后的氧化膜不能像铝等金属一样致密，对镁合金没有产生有效的保护作用，所有，产生了多种方法来防止镁合金腐蚀。

随着社会的发展，除了防腐性外，人们对镁合金的装饰性也提出了要求，在众多的应用领域需要镁合金有一定的色泽。

如人们更加喜爱具有特殊颜色的镁合金制造的电脑、手机外壳，这样往往能抓住市场。

制备具好看新型的工件，可使产品各具形象特色，增加产品力提高市场竞争力，从而提高企业的经济效益。

回顾近年来涂层防护研究的发展状况，虽然报道了很多涂层的研究，也开发了许多新型复合涂层，但这些研究大多注重提高涂层的附着性、装饰性、耐蚀性，对涂层本身的耐磨性能的研究比较少。

在镁合金耐蚀性研究中，探究并加以使用复合涂层，成为解决镁合金防腐问题最为简便、经济的方法。

复合涂层的方案有许多种，正确选择方案对镁合金的防护尤为重要。

在众多方案中，大部分都研究了涂层的附着力和耐蚀性，而涂层的耐磨性也需要重视。

镁合金在汽车、航空航天领域中作为结构部件或外壳部件使用时，避免不了出现摩擦、撞击等情况发生，长此以往，涂层将会出现裂痕、脱落，涂层的保护能力则会大幅降低。

所以，研究高耐磨的复合涂层，为镁合金防腐提供一种可靠有效的方案。

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