表面合金化范文（精选11篇）

表面合金化 第1篇

40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一,调质处理后具有良好的综合力学性能、良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性,适于制作齿轮、塑料模具等。然而复杂、恶劣的工作条件常常使得该模具钢产生磨损超差,从而影响了成型产品的表面精度,缩短了模具的服役寿命。现行的常规电镀、电刷镀、热堆积焊等表面修复技术存在结合力弱、修复层组织不致密、热硬性不足等问题[1,2,3]。

在工件表面涂上一薄层材料,用强流脉冲电子束照射,使表面涂覆层熔化,基体材料的表面薄层也微熔,即可形成表面局部区域的冶炼,得到新的合金,从而达到表面合金化的目的。电子束合金化是涂覆的金属粉末与基体金属之间的重新冶炼过程,涂覆层与基体钢之间可形成原子冶金结合,合金的附着性较好。在金属的表面进行Al合金化,能够引起钝化效应,大大提高零件的表面耐腐蚀能力,但是其摩擦磨损性能决定着工件的寿命及Al膜所能维持的时间,如果能在提高40Cr材料表面耐蚀性能的同时,进一步提高其摩擦磨损性能,对40Cr在齿轮等零件,特别是一些海洋工程用钢中的应用具有比较重要的意义[4,5,6]。

乌克兰的Pogrebnjak等着重研究了强流脉冲电子束对材料结构的影响,以及表面合金化对不同材料表面性能的提高作用。他们采用电子束蒸镀金属薄膜与HCPEB后处理结合的方法在纯铁表面实现了钽、钼、铬、铝等元素的合金化,同时提高了纯铁的耐磨性和耐腐蚀性[7]。在45钢表面用WC/Co+TiC进行电子束合金化后,WC/Co合金化层的耐磨性比常规淬火提高了52倍。Ni、Cr粉末合金层的耐磨性为常规处理的2~7倍[8]。VT3-1合金上经过电子束热处理的铬涂镀层与45钢配磨面之间的摩擦系数降低到了0.06~0.07。相比之下,原始覆层的摩擦系数和无电镀层的钛合金的摩擦系数则分别为0.18~0.20和0.35~0.70。经过电子束加热处理后,覆层的结合强度可容许单位负荷增高3~5倍,并在无润滑试验时可达到10~12MPa,钛合金机件由于其耐磨损性得到提高,使用寿命可以延长1~2个数量级[9,10]。

本研究对40Cr表面电子束Al合金化前后样品的摩擦性能进行实验和分析。

1 实验

1.1 试样准备

材料为40Cr合金钢(组成为w(C)=0.40%,w(Si)=0.23%,w(Mn)=0.7%,w(Cr)=0.8%,w(Ni)≤0.30%),原始样件的材料热处理工艺为850℃淬火80min,620℃回火60h,最后表面抛光。实验中材料电子束合金化样品的预镀膜层厚度均为2μm,镀膜方式为磁控溅射,镀膜材料为纯Al。

1.2 电子束合金化

齿轮脉冲电子束表面处理采用俄罗斯科学院西伯利亚分院强电流研究所生产的“RITM-2M”电子束实验装置,工艺参数如表1所示。

1.3 性能测试方案

采用PME Olympus Tokyo光学显微镜和JSM-6460LV扫描电镜观察样品的表面形貌。采用TR300粗糙度形状测量仪测量样品表面粗糙度,表面处理方式分别为未抛光处理和抛光处理,分别探讨不同粗糙度样品经过电子束处理后粗糙度的变化。采用HX-1000显微硬度测试机测试样品截面硬度,硬度计压头的直径为40μm,试验参数如表2所示,第一个测试点选在距离样品表面25μm处。

摩擦磨损试验在HSR-2M摩擦磨损仪上进行,每个样品表面做2次微摩擦实验,测出样品的总失重,并对比材料表面磨痕宽度,试验参数如表3所示。

2 结果及分析

模具在使用过程中,材料的表面粗糙度、表层硬度及耐磨性影响着模具的质量及寿命,因此本研究在考察40Cr表面电子束Al合金化前后样品摩擦性能的同时,也分析讨论了材料表面粗糙度、硬度及其对摩擦性能的影响[11,12]。

2.1 表面粗糙度

40Cr样品表面形貌如图1所示,可以看出40Cr样品经Al镀膜电子束处理后表面熔坑现象明显,有明显的熔化现象。

为探讨不同粗糙度样品经电子束处理后粗糙度的变化,本研究测试并分析了未抛光样品及抛光处理样品经电子束处理后粗糙度的变化情况,发现两种样品存在明显差异。通过粗糙度测试仪测得的各40Cr样品粗糙度如图2所示。40Cr未抛光样品粗糙度为0.499μm,经电子束照射后粗糙度为0.449μm,粗糙度有所降低,这是由于电子束照射使样品表面原有的机械划痕重熔,划痕现象得到明显改善,从而使得样品表面粗糙度降低。而40Cr抛光后的样品粗糙度为0.086μm,经电子束照射后粗糙度为0.294μm,粗糙度明显升高,这是由于样品抛光后表面已经很光滑,经电子束照射后样品表面产生大量熔坑,此时熔坑成为影响样品表面粗糙度的主导因素,样品表面凹凸不平的熔坑使表面粗糙度明显升高。可以看出,电子束表面处理对粗糙度不同的样品产生不同影响:对于表面光滑的材料,电子束照射会使其表面粗糙度升高;对于表面粗糙的材料,电子束照射会使其表面粗糙度降低。

从理论上说,电子束在材料表面的照射作用使其发生快速熔化。微观上,熔化金属从表面的高峰处快速流向洼地,有利于降低金属材料表面的粗糙度;但电子束照射同时会引起金属液体飞溅,出现火山坑,导致金属表面粗糙度升高。电子束照射后材料表面粗糙度的变化是以上两个过程此消彼长的综合结果[13]。

2.2 截面硬度

截面硬度试验的原始样品均经过抛光预处理,合金化样品合金预涂覆厚度均为2μm,各样品截面硬度测试结果如图3所示,40Cr原始样品硬度在260~360HV范围内波动。经电子束照射处理后,样品不同深度处的硬度均得到明显提高。电子束Al合金化样品的截面硬度在距表面85μm处达到最大值,约为387HV,相对于同深度处原始样品的硬度(359.7HV)提高了7.6%。

2.3 微摩擦磨损

衡量摩擦磨损的指标主要有摩擦磨损过程中的摩擦系数和磨损失重。微摩擦磨损所选样品均经过抛光预处理,试验所得的完整摩擦系数-时间关系曲线是一条连续波动的曲线,为了能更明确地反映出试验趋势,将试验所得的摩擦系数-时间曲线图每间隔1min取1个点。考虑到试验初期摩擦运动并不稳定,舍去0~1min的摩擦系数数据,将所取的点连成摩擦系数-时间关系图,如图4所示。

从图4可以看出,原始样品在整个摩擦过程中,摩擦系数较稳定,在0.59~0.63范围内波动;经电子束Al合金化的样品在摩擦初期摩擦系数维持在一个较稳定的状态,此时摩擦系数约为0.22,在微摩擦磨损进行到6min时摩擦系数出现突变,由0.22陡增至最大值0.74,摩擦系数突变后,其值与原始样品的摩擦系数相当。磨损量如表4所示,40Cr电子束Al合金化样品经摩擦磨损后失重有所减小,磨损量为原来的59%,材料的抗磨损性能得到较大提高。

结合前面的结果进行分析,当样品受电子束照射后,表面粗糙度会增加,这对材料的微摩擦磨损性能起到一定的负面作用,而同时样品表面硬度也有所增加,又对材料的微摩擦磨损性能起到正面作用。从实验结果可以看出,材料的微摩擦磨损性能有所提高,说明表面硬度的升高对材料的微摩擦磨损性能起主导作用[14,15]。

图5为40Cr样品的磨痕图,可以看出,原始样品磨痕较宽,为0.405mm,电子束Al合金化样品磨痕宽度为0.319mm,说明40Cr电子束Al合金化样品的微摩擦磨损性能好于原始样品。这与摩擦系数-时间曲线及磨损量所反映的结果相符[16]。

3 结论

(1)40Cr未抛光样品表面粗糙度为0.499μm,经电子束照射后粗糙度为0.449μm。而40Cr抛光样品表面粗糙度为0.086μm,经电子束照射后粗糙度为0.294μm,粗糙度明显升高。

(2)40Cr原始样品硬度在260~360HV范围内波动。经电子束照射处理后样品硬度均有所提高,在距表面85μm处硬度达到最大值,约为387HV。

镁铝合金表面处理工艺[范文] 第2篇

一、选材

1.1铝合金6061：镁铝6061-T651是6系合金的主要合金，是经热处理预拉伸工艺的高品质铝合金产品；镁铝6061具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。主要用途:广泛应用于要求有一定强度和抗蚀性高的各种工业结构件，如制造卡车、塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆。

6061典型用途：代表用途包括航天固定装置、电器固定装置、通讯领域，也广泛应用于自动化机械零件、精密加工、模具制造、电子及精密仪器、SMT、PC板焊锡载具等等。

1.2电镀是在表面添加一层金属保护层。阳极氧化是把表面一层人为按要求用电化学进行氧化，用这层氧化层作保护层。铝不好电镀，但氧化铝很硬（可作磨料），化学性能又特好（不会再氧化，不受酸腐蚀），比一般金属还好，还可以染成各种颜色。所以铝件一般用阳极氧化。

二、工艺类型、效果图、厂家调研 2.1氧化工艺

喷砂可以使丝印时，印料和承印物的结合更加牢固。均匀适当的喷砂处理，基本上可以克服铝材表面常见的缺陷。详见附录

2.2、喷涂工艺

1、表面处理工艺：机壳漆

机壳漆金属感极好，耐醇性佳，可复涂PU或UV光油。玩具油漆重金属含量符合国际安全标准。包括CPSC含铅量标准、美国测试标准ASTMF 963、欧洲标准EN71、EN1122。

2、表面处理工艺：变色龙

随不同角度而变化出不同颜色。是一种多角度幻变特殊涂料，使你的商品价值提高，创造出无懈可击的超卓外观效果。

3、表面处理工艺：电镀银涂料

电镀银漆是一款无毒仿电镀效果油漆，适用ABS、PC、金属工件，具有极佳的仿电镀效果和优异的耐醇性。

4、表面处理工艺：橡胶漆

适用范围：ABS、PC、PS、PP、PA以及五金工件。

产品特点：本产品为单组份油漆，质感如同软性橡胶，富有弹性，手感柔和，具有防污、防溶剂等功能。这种油漆干燥后可得涂丝印。重金属含量符合国际安全标准。包括CPSC含铅量标准、美国测试标准ASTMF 963、欧洲标准EN71、EN1122。

5、表面处理工艺：导电漆

适用于各种 PS 及 ABS 塑料制品；导电导磁、对外界电磁波、磁力线都能起到屏蔽作用；在电气功能上达到以塑料代替金属的目的。电阻值可根据客人要求调试。重金属含量符合国际安全标准，包括 CPSC 含铅量标准、美国测试标准 ASTMF-963、欧洲标准 EN71、EN1122。

6、表面处理工艺：UV油

高性能UV固化光油，类似钢琴漆。

7、表面处理工艺：珠光粉-ZG001

珠光颜料广泛应用于化妆品、塑料、印刷油墨及汽车涂料等行业。珠光颜料的主要类型有：天然鱼鳞珠光颜料、氯氧化铋结晶珠光颜料、云母涂覆珠光颜料。

8、表面处理工艺：夜光漆

夜光粉是一种能在黑暗中发光的粉末添加剂；它可以与任何一种透明涂层或外涂层混和使用，效果更显著，晚上发光时间长达８小时！

2.3、印刷工艺

1、激光雕刻

用激光雕刻刀作雕刻，比用普通雕刻刀更方便，更迅速。用普通雕刻刀在坚硬的材料上，比如在花冈岩、钢板上作雕刻，或者是在一些比较柔软的材料，比如皮革上作雕刻，就比较吃力，刻一幅图案要花比较长的时间。如果使用激光雕刻则不同，因为它是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料气化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种雕刻方法。它根本就没有和材料接触，材料硬或者柔软，并不妨碍 “雕刻” 的速度。所以激光雕刻技术是激光加工最大的应用领域之一。用这种雕刻刀作雕刻不管在坚硬的材料，或者是在柔软的材料上雕刻，刻划的速度一样。倘若与计算机相配合，控制激光束移动，雕刻工作还可以自动化。把要雕刻的图案放在光电扫描仪上，扫描仪输出的讯号经过计算机处理后，用来控制激光束的动作，就可以自动地在木板上，玻璃上，皮革上按照我们的图样雕刻出来。同时，聚焦起来的激光束很细，相当于非常灵巧的雕刻刀，雕刻的线条细，图案上的细节也能够给雕刻出来。激光雕刻可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。激光雕刻是近年巳发展至可实现亚微米雕刻，已广泛用于微电子工业和生物工程。

优点：

1、精美、防伪、永久保存、极大提高产品档次。

2、比传统腐蚀精美，没有丝印、移印的图案易被擦掉以至模糊不清的缺点。

3、电脑控制、图文可随意改动。

4、显著增强竞争能力，速度快接近0%的废品率。

5、没有污染、没有化学物质污染产品表面。

6、加工精度可达到0.01mm，保证同一批次的加工效果完全一致

2、水转印工艺简介

水转印是一项融合了复杂的化学及水压原理而形成的一种转印技术。此技术是针对一般传统印刷及热转印、移印、网印（丝印）表面涂装所不能克服的复杂造型及死角问题所研发出来的一种革命性的转印技术。

特点：

1、水转印工艺适用于任何素材的复杂外形及表面（如塑料ABS、PC、PP、尼龙、木材、金属、玻璃、电木、陶瓷等）

2、水转印工艺防水不轻易褪色，使美观的外表持久不变。

3、超过数百种的天然花纹。如木纹、石纹、卡通和各种动物图案。也可以设计自己独有的花纹。

适用范围：

1、国防工业类：钢盔、对讲机、枪柄、望远镜等；

2、电器类：电视机外壳、遥控器、电话机、手电筒、电冰箱、洗衣机、抽油烟机、计算机、鼠标等；

3、汽车类：汽车仪表板、后视镜、排档头、茶杯架、剎车板、轮圈盖、水箱护罩等；

4、家俱类：锁头、把手、开关面板、钢管、沙发扶手、办公家俱等；

5、鞋类：鞋根、鞋大底、溜冰鞋、运动鞋等；

6、运动器材类：网球拍、高尔夫球杆、撞球杆、定时器、钓杆、浮标等；

7、文具用品类：订书机、笔管、激光指示器、印盒、乐器等；

8、其它类：香水瓶盖、皮箱、珠宝盒、灯罩、花瓶、化妆盒、口红盒、照相机、卫浴设备等

3、热转印工艺

热转印是通过预热压将热转印花膜图案转印到工件表面。利用热转印膜印刷可将柯色图案一次成图，无需套色，简单的设备也可印出逼真的图案，且色彩鲜艳、亮泽、画面栩栩如生。热转印工艺极富装饰价值，可使产品附加值大增。

★热转印的产品特点：

① 柯色图案一次成形，无需套色。② 设备简单，印工精致。③ 附着力强，耐高温耐磨。④ 色彩鲜艳亮泽，永不褪色。⑤ 符合绿色环保印刷标准，无环境污染

★适用底材：

ABS、PS、PVC、AS、PC、PU、PMMA、PET、PP、PE等塑胶之表面，以及金属、玻璃、木材等材料的涂层面。

★ 热转印技术的优越性：

图案印刷精度高--图案由八色以上大型凹版印刷机，完成以PET薄膜涂布为基材，采用精细的专业铜版，实现高精细度的图形印刷。

4、拉丝工艺

拉丝可根据装饰需要，制成直纹、乱纹、螺纹、波纹和旋纹等几种。

直纹拉丝是指在铝板表面用机械磨擦的方法加工出直线纹路。它具有刷除铝板表面划痕和装饰铝板表面的双重作用。直纹拉丝有连续丝纹和断续丝纹两种。连续丝纹可用百洁布或不锈钢刷通过对铝板表面进行连续水平直线磨擦（如在有靠现装置的条件下手工技磨或用刨床夹住钢丝刷在铝板上磨刷）获取。改变不锈钢刷的钢丝直径，可获得不同粗细的纹路。断续丝纹一般在刷光机或擦纹机上加工制得。制取原理：采用两组同向旋转的差动轮，上组为快速旋转的磨辊，下组为慢速转动的胶辊，铝或铝合金板从两组辊轮中经过，被刷出细腻的断续直纹。乱纹拉丝是在高速运转的铜丝刷下，使铝板前后左右移动磨擦所获得的一种无规则、无明显纹路的亚光丝纹。这种加工，对铝或铝合金板的表面要求较高。波纹一般在刷光机或擦纹机上制取。利用上组磨辊的轴向运动，在铝或铝合金板表面磨刷，得出波浪式纹路。旋纹也称旋光，是采用圆柱状毛毡或研石尼龙轮装在钻床上，用煤油调和抛光油膏，对铝或铝合金板表面进行旋转抛磨所获取的一种丝纹。它多用于圆形标牌和小型装饰性表盘的装饰性加工。螺纹是用一台在轴上装有圆形毛毡的小电机，将其固定在桌面上，与桌子边沿成60度左右的角度，另外做一个装有固定铝板压茶的拖板，在拖板上贴一条边沿齐直的聚酯薄膜用来限制螺纹竞度。利用毛毡的旋转与拖板的直线移动，在铝板表面旋擦出宽度一致的螺纹纹路。

手机按键表面的金属拉丝效果，是雷射环状拉丝，有专用设备，原理差不多，更精密。

2.4、电镀工艺

附

录

喷砂

一、功能或用途

．工件表面的清理

可用作对金属的锈蚀层、热处理件表面的残盐和氧化层、轧制件表面的氧化层、锻造件表面的氧化层、焊接件表面的氧化层、铸件表面的型砂及氧化层、机加件表面的残留污物和微小毛刺、旧机件表面等进行处理，以去除表面附着层，显露基体本色 , 表面清理质量可达到 Sa3 级。．工件表面涂覆前的预处理

可用作各种电镀工艺、刷镀工艺、喷涂工艺和粘接工艺的前处理工序，以获得活性表面，提高镀层、涂层和粘接件之间的附着力。．改变工件的物理机械性能

可以改变工件表面应力状态，改善配合偶件的润滑条件，降低偶件运动过程中的噪音。可使工件表面硬化，提高零件的耐磨性和抗疲劳强度。．工件表面的光饰加工

可以改变工件表面粗糙度 Ra 值。可以产生亚光或漫反射的工件表面，以达到光饰加工的目的。

二、主要参数

影响喷砂加工的主要参数：磨料种类、磨料粒度、磨液浓度、喷射距离、喷射角度、喷射时间、压缩空气压力等。

三、环保特点．极大地改善了粉尘对环境的污染和对工人健康的危害。．可直接安装在生产线上，节省生产面积 , 有利工件周转。

．工作方法灵活，工艺参数可变，能适应不同材质和不同精度零件的光饰加工要求。．在工作过程中磨料循环使用，消耗量少 ．主要零部件使用寿命长，且便于维修。

常用喷砂工艺参数

获得表面结果的三要素：

压缩空气对喷射流的加速作用（喷砂压力大小的调节）P

磨料的类型（S）

喷枪的距离（H）、角度（θ）

1． 压力大小的调节对表面结果的影响

在S、H、θ三个量设定后，P值越大，喷射流的速度越高，喷砂效率亦越高，被加工件表面越粗糙，反之，表面由相对较光滑。

2． 喷枪的距离、角度的变化对表面结果的影响

在P、S值设定后，此项为手工喷砂技术的关键，喷枪距工件一般为 50-150mm，喷枪距工件越远，喷射流的效率越低，工件表面亦越光滑。喷枪与工件的夹角越小，喷射流的效率亦越低，工件表面也越光滑。

3． 磨料类型对表面结果的影响 磨料按颗粒状态分为球形，菱形两类，喷砂通常采用的金刚砂（白钢玉、棕刚玉）为菱形磨料。玻璃珠为球形磨料。在P、H、θ三值设定后，球形磨料喷砂得到的表面结果较光滑，菱形磨料得到的表面则相对较粗糙，而同一种磨料又有粗细之分，国内按筛网数目划分磨料的粗细度，一般称为多少号，号数越高，颗粒度越小，在P、H、θ值设定后，同一种磨料喷砂号数越高，得到的表面结果越光滑。

表面合金化 第3篇

综述了目前国内高精度铜及铜合金带材表面的质量状况，提出表面物理缺陷和化学缺陷及其概念，描述了带材表面各种缺陷的形貌特征，分析了缺陷产生的原因及关键工序的控制要点；介绍了目前铜带表面质量控制采用的新技术、新材料及表面缺陷量化等技术的应用现状.分析表明，高精度铜带表面质量中起皮、划伤、擦伤和凹坑等表面物理缺陷是产品质量投诉的主要原因，而影响铜带表面质量的因素众多并贯穿于生产的整个过程.加强技术创新和新技术、新材料的应用，提高各工序的产品质量保障能力，同时精细管理、细心操作、采用缺陷量化检测手段是控制表面质量及提升产品品质的关键.

关键词：

高精度铜带； 表面缺陷； 质量控制； 缺陷量化

中图分类号： TG 146.1+1文献标志码： A

Abstract：

It was summarized the surface quality situation of the high accuracy copper and copper alloy strip in this paper.The concepts of surface physical defects and chemical defects were proposed for the first time.It was described the morphology of a variety of surface defects，analyzed the cause of it and key control points to reduce the defects of surface. It was introduced the new technologies，new materials to control the surface defects，and the using actuality of the surface defects quantizing technology.The results show that surface physical defects，example peeling，scratching，pit and other surface physical defects are major cause of complaints in the quality of copper strip.But there are many factors affecting the surface quality of copper，and in the whole process of production. It is necessary to strengthen technological innovation，use new technology and new materials，and improve the security capability of each process.Simultaneously， fine management，careful operation and use testing method of defect quantification are the key for controlling the standard of surface quality，and promoting products quality.

Keywords：

high accuracy copper strip； surface defect； quality control； defect quantifaction

现代化铜加工与传统铜加工相比，具有高精度、高性能和高表面质量等显著特点.在市场竞争日益激烈的今天，用户对铜及铜合金带材产品的质量要求越来越高.主要表现在要求高性能的同时，还对表面质量、性能、组织的均匀一致性、板型、残余应力及产品的外观、包装等提出具体要求.特别是高精度带材的表面质量，已经成为铜带生产企业越来越重视及影响质量成本的主要问题，并且成为产品进入高端市场的关键.在现行国家标准[1]中，对表面质量的宏观描述已不能完全适应现在市场的质量要求，因此以下几个方面是摆在铜带生产企业面前亟待研究和解决的课题：控制板带材的表面质量，减少擦划伤、起皮等表面物理缺陷和加强表面清洗和防护，减少氧化变色、腐蚀等表面化学缺陷；提高成品率，减少质量投诉及退换货；如何量化表面缺陷和采用有效的表面质量检测方法.

表面质量不但是用户第一感官的美观要求，更是下游用户生产工艺及质量的要求.本文通过对高精度铜带表面质量及用户反馈进行统计，对其产生原因、工艺控制要素进行分析和研究，重点指出控制表面质量的新技术、新材料使用、表面缺陷量化等控制技术的使用现状及效果.

1基本技术概念

表面缺陷是指铜及铜合金板带材在后续加工、电镀、冲制（压）、焊接、封装等使用过程中，对上述工艺过程产生影响的表面质量问题，统称为表面缺陷.表面缺陷分为两大类：表面物理缺陷和表面化学缺陷.表面物理缺陷又称机械缺陷，是指由于材料内部组织固有或外力等原因引起的板带材表面产生的缺陷，造成了板带材表面的光洁性、完整性受到破坏，如表面起皮、擦伤、划伤、孔洞、气泡、起刺和凹坑等；表面化学缺陷是指铜及铜合金带材在加工、精整、包装及储运过程中产生的由于外界环境因素或生产过程中残留的污物，使表面产生一定的化学或电化学反应而造成的铜合金表面失去金属光泽的缺陷，如氧化腐蚀斑、黑（白）点，水迹、油迹以及工艺介质残留、反应变质等.

2表面质量对带材产品质量的影响

图1为某厂连续两年（A、B）高精度铜带各种质量投诉所占的比例统计.图2为某厂连续两年（A、B）表面缺陷中物理缺陷和化学缺陷所占质量投诉的比例统计.

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从图1中可以看出，表面缺陷是造成铜合金带材质量投诉的主要原因.在连续两年的产品质量投诉中，表面质量引起的投诉占投诉总量的74.3%和79.2%.

从图2中可以看出，连续两年质量投诉中，表面物理缺陷分别占缺陷总量的66.7%和67.4%，位于缺陷第一位；而化学缺陷分别占缺陷总量的7.7%和11.7%.说明在表面缺陷中物理缺陷是需要解决的主要矛盾.

2.1表面物理缺陷

在标准[1]中的表面物理缺陷，主要有：起皮（刺）、分层、擦伤、划伤、孔洞、气泡及凹坑等.

2.1.1表面起皮（刺）

表面起皮（图3）为板带材表面局部或呈带状破裂翻起，使带材表面的完整性和光洁性受到破坏.起皮一般沿轧制方向呈连续或断续分布，并在起皮处可以观察到金属皮与金属基体之间较为光滑，无黏结，有时存在污染物、夹杂等.引起起皮的原因主要为铸锭本身存在组织缺陷，如气孔、夹杂（渣）等[2].

另一方面，热轧压合及当轧件表面在前工序受到外来物损伤，如磕碰伤、杂物压入等，在后续加工过程中造成金属流动出现断续而造成.对于铸锭内部组织缺陷，板带厚度越小，起皮越容易暴露；同时起皮料经过进一步轧制，会出现压漏或孔洞现象.

2.1.2分层

板带材的分层（图4）是带材经轧制后在断面上出现缝隙.它与起皮在外观上相貌不同，起皮是金属皮的一端离开了金属母体（基体），另一端连在基体上；分层是金属基体层间断开的一种现象.分层有局部分层和大面积分层，轧制到一定厚度时，分层产生起皮，甚至孔洞.带材分层的原因主要是由铸锭的组织缺陷造成的，如铸锭中的气孔、疏松和夹杂（渣）等.

2.1.3擦、划伤

擦、划伤是由于外来物体（硬质或尖锐）接触带材表面并与带材表面发生相对滑动，或带材层间发生滑动或错动而对带材表面造成的机械式损伤.在生产过程中带材的擦划伤（图5）现象非常常见，存在于带材精轧及任意后续工序，包括轧机、气垫式退火、酸碱铣、拉弯矫和分切等.

2.1.4孔洞

孔洞（图6）是带材表面的一种目视可见的宏观缺陷，目视不可或不易看见的孔洞为针孔.其产生的原因均与带材的起皮、分层和气泡有关，因此存在起皮、分层和气泡的板带材在轧制到一定阶段时，均会出现压漏，造成带材表面的孔洞.

2.1.5鼓泡

板带材表面出现沿加工方向的条状或泡带状鼓起，剖开后为一空腔，这种鼓起称为鼓泡.鼓泡多呈条状，表面光滑，沿加工方向拉长，剖开后内壁呈光亮的金属色泽，个别伴有氧化物或其他夹杂.鼓泡大多两面对称分布，常出现在较薄的板带材中.主要产生的原因为铸锭中存在气孔、缩孔等缺陷，或是热处理过程中，炉内气氛控制不当，或炉温过高.

2.1.6凹坑

凹坑多为压伤、压坑和硌坑等，均为在一定压力作用下，外来物质对带材表面产生的损伤.它与生产现场的卫生状况有很大关系，与带材表面接触的任何部位均可能产生，在生产的各个工序均可能出现.

2.2表面化学缺陷

表面化学缺陷主要包括氧化斑、点、介质腐蚀斑、水迹和油迹等.铜的电位是+0.34 V，是电位较正的金属[3]，与其他金属相比具有良好的耐蚀性，这也是铜材被应用广泛的原因之一，但也会发生腐蚀.金属耐蚀是金属和合金及其使用环境相互作用的结果，大气腐蚀是在金属表面存在薄水膜时发生的[4].特别是在生产现场，空气中常常存在SO2、H2S和NO2等酸雾气体，这些气体会加速铜材表面变色，并与温度、湿度一起对带材产生多重影响.

另外，由于带材在生产过程中接触多种工艺介质，如乳液、轧制油、酸液、碱液及钝化液等.这些工艺介质残留在带材表面，在一定情况下均会造成带材的腐蚀.

2.2.1氧化腐蚀斑、点

氧化斑、点（图7）是产品在空气中放置自然形成的表面化学缺陷，其形貌特征根据表面钝化处理情况、放置时间有所不同.轻者为弥散点状，重者为棕色斑块.

2.2.2工艺介质腐蚀斑

在铜带生产过程中会接触多种工艺介质，如初轧的乳液、精轧的轧制油、气垫式退火时清洗用的碱液、酸洗用的酸液以及钝化液等.

在这些工艺介质中，除碱液、酸液会对铜带产生腐蚀外，乳液、轧制油一旦在带材表面残留的时间超过一定的限度，均会对带材产生腐蚀，形成腐蚀斑.对于钝化剂，虽然具备钝化功能，但如果使用的固体钝化剂在水中的溶解度有限，经常会由于钝化剂未溶的颗粒附着在铜带表面，造成铜带有白点、白斑.图8和图9分别为乳液腐蚀斑和钝化剂斑.

3表面质量过程控制

表面质量控制贯穿铸锭生产到产品包装的铜合金板带生产的全过程；同时表面质量控制又是一个包含技术工作和管理工作的系统工程.因此表面质量问题的分析很多时候都存在不唯一性和不确定性，这为原因查找、措施制定都带来了一定难度，解决起来很难有立竿见影的效果.因此在板带材生产过程中，每一个工序都是控制表面质量的关键.

3.1铸锭内部质量

铸锭内部质量是带材表面质量好坏的关键.据数据统计，在表面物理缺陷中，起皮、分层、孔洞和气泡已占50%以上.而这些缺陷都与铸锭的内部质量有很大的关系，多数情况下是由于铸锭内部存在气孔、夹渣（杂）、疏松及显微裂纹等造成的.因此在铸锭生产中炉料的清洁、干燥，加强熔体的覆盖和保护以及合理的熔铸工艺是优质铸锭生产的必要条件.同时由于带材的起皮掉渣、孔洞、毛刺等造成铜渣、铜屑黏在与铜带接触的辊子、毡布上等，对带材造成了二次损伤——划伤等缺陷.

因此，根据合金特性进行铸造工艺的优化研究（包括原材料使用、熔体覆盖、保护、工艺稳定性及工艺质量的可追溯性等）及熔体除气、除渣技术、结晶器涂料的研究和应用，提高铸锭表面、内部质量及质量稳定性，减少铸锭气孔、夹渣（杂）、疏松及组织偏析、显微裂纹等是减少表面缺陷（特别是物理缺陷）的关键问题.

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3.2热轧带坯及铣面质量

热轧是加工的首道工序，也是表面质量控制的关键工序.在加热阶段，炉内气氛、温度、加热时间及接触炉底的质量均对带坯质量有明显影响.加热、热轧工序造成的表面缺陷也较为严重，主要表现在加热延时造成氧化皮偏厚、炉底氧化渣压入铸锭及热轧爆皮效果差等；铣面工序如果铣不净、漏铣、刀花大等，都会直接引起带材表面出现起皮、掉渣和孔洞等现象.

控制炉内气氛、严格执行加热工艺、定期检查和及时维护炉底，是减少铸锭严重氧化、氧化渣压入及晶粒粗大的关键.在铣面时，铣刀刀片质量、一致性、铣刀的振动以及减少铣屑压入等都是保证铣面质量的关键，同时严格铣面工艺，控制铣削速度以解决刀花大等问题.对局部未洗净的氧化坑等在轧制时应进行打磨修理，以保证带坯整体质量.另外对铣面的带材应重视卷取质量，防止层间存在间隙，在吊运等过程中会因层间错动造成表面划伤，为最终的表面质量留下隐患.也可以采用层间衬纸或其他耐磨柔性材料（如蛇皮布、无纺布等）的方式减少层间擦划伤，确保层间滑动对带坯表面的损伤.

3.3纵剪质量控制

纵剪工序容易产生的表面质量问题主要有表面擦伤、划伤及边部毛刺.擦划伤.一方面与来料的卷紧度及卷取料的张力有关；另一方面由于纵剪的初始张力大多采用气垫压板的张力形式，该张力中毛毡或无纺布与带材直接接触且为滑动摩擦，因此一旦毛毡或无纺布上黏有铜屑、渣等物均会造成带材表面划伤.另外张力辊也同样会由于黏有铜屑等对带材造成划伤.

在纵剪剪切中，带材边部会有毛刺，当剪床、剪刃的精度较高，剪刃间隙调整较好时毛刺较小，否则剪切毛刺较大，甚至超过0.1 mm.这些毛刺在通过气垫压板毛毡时，可能会由于摩擦力原因残留在毛毡上，这些毛刺同样会对带材表面产生划伤.另外当剪切工具匹配和调整不合理时，还容易出现剪刃压痕.剪刃压痕同样是用户不能接受的表面缺陷.

3.4冷轧制质量控制

轧制工序对表面质量的影响主要为化学腐蚀缺陷及辊伤.主要表现为，轧制力过大，冷却能力不够造成带材表面由于温度过高而氧化，从而影响带材的表面质量；轧制中使用的介质，如乳液、轧制油等不合格、变质等造成带材表面腐蚀；当带材轧制后，中转时间超过了工艺要求的时间，未及时对轧制料进行下道工序处理，如退火、清洗等，造成乳液或轧制油在带材表面残留时间过长，造成带材表面产生介质腐蚀斑.辊伤是轧辊表面缺陷在带材表面的复制.

3.5退火及清洗质量控制

退火和酸碱铣工序（包括清洗），产生的主要表面缺陷为化学缺陷，及个别擦划伤、咯坑等物理缺陷.

3.5.1钟罩炉退火

为了消除带材轧制加工硬化，一般在钟罩炉中进行中间退火.退火时带材表面均残留有轧制润滑剂，可能会由于润滑剂质量问题（如黏度偏大、灰分超标）在退火过程中造成带材表面残碳、残灰，这些均是铜带产生表面变色和腐蚀斑痕的根源.

3.5.2气垫式退火

气垫式退火主要用于薄带的退火，较钟罩式炉退火，其带材表面质量更优.气垫式退火有脱脂洗、退火、酸洗、清刷（抛光）、热水洗、钝化、烘干等功能.引起表面腐蚀的原因主要有清洗的水中Cl-含量过高、钝化剂残留在带材表面等；另外还会由于清刷工序中刷子质量、清刷压力等造成表面刷痕.由于气垫炉工序长，带材接触的辊子多，如果辊子表面黏有污物、破损等，带材表面会产生硌坑、麻点和小鼓包等物理缺陷.

3.5.3酸碱洗（包括清洗）

酸碱洗工序主要是对带材表面进行清洗，主要有脱脂洗、热水洗、酸洗、清刷、热水洗、钝化和烘干等功能.该工序主要存在带材表面残油大、洗不净、清洗的水中Cl-含量过高及钝化剂残留，这些都会造成化学腐蚀斑痕；同时也存在表面刷痕等物理缺陷.

3.6包装质量控制

为了防止雨淋，铜带的包装采用塑料薄膜.由于生产现场环境高温、高湿，包装时塑料薄膜将环境气氛和带材一起包装，当温度降低时就会有水珠凝结，从而产生表面腐蚀（虽然包装内有防潮剂）；此外塑料包装也会造成带材表面产生水汽腐蚀斑痕.包装材料受潮也会引起带材的氧化腐蚀.

4表面质量控制技术

4.1热轧带坯除磷技术

热轧带坯氧化皮压入是造成带坯铣削量大、局部铣不净、氧化坑的重要原因.因此去除热轧带坯氧化皮压入，特别是在热轧初期将厚的氧化皮暴起、去除显得尤为重要.在热轧机上采用金属链式震动、高压水吹扫的热轧带坯氧化皮除磷技术，解决了氧化皮压入问题，大大减少了由此引起的带材起皮、空洞等表面缺陷，减少了铣削量，提高了成品率.

4.2同步张力控制技术

带材成品表面擦划伤、硌坑等缺陷主要存在于板带生产的剪切、气垫式退火以及酸碱洗等加工后期接近成品的工序.因此，一方面要求操作工精细生产，卫生生产，加强责任心；另一方面采用新技术、对设备进行维护、改造.在新技术方面，剪切初张力的建立采用真空箱、真空辊的形式，减少或避免带材与接触物体的滑动摩擦，减少气垫压板毡布对带材表面的擦划伤；在成品卷取时采用恒定张力及张力计装置，保证卷取张力的稳定，避免出现带卷卷紧度不均、松卷等造成的擦伤及其他缺陷.由于在生产过程中与带材接触的装置、部件均有可能对带材产生不良影响，因此清洁处理、破损处的维护、更换等显得尤为重要.特别是在生产薄软带时，带材接触的辊子等如果表面不洁净、或存在破损，就可能造成带材擦划伤、硌坑和麻面等现象.

4.3工艺介质腐蚀控制

在带材生产过程中除了要接触环境空气介质外，还要接触轧制乳液、轧制油品（甚至还有泄露在轧制油中的液压油等机械油）、碱液、酸液、冷热水及钝化液等.这些介质在生产中都有相应的作用和功能，不可缺少.但使用不当也会使带材表面产生化学缺陷.因此，减少生产环境中的酸雾，控制工艺介质质量十分重要.主要有以下几个方面.

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4.3.1工艺介质指标监控

根据介质不同和使用不同，应对工艺介质进行理化指标的检测和监控，以满足使用要求.这些介质不但包括轧制油、乳液、酸液、碱液和钝化剂等，还包括冲刷水.工艺介质的监控检验均要建立相应的管理制度，并通过指标监控及对产品表面的影响，进行优化、修订使用要求.

4.3.2气雾收集处理

工艺介质的使用均在一定温度下进行，均会产生一定气雾.因板带材产品要求高精度表面，车间多采用相对密闭的环境，其腐蚀性、潮湿性、油性气雾对带材表面的影响不可忽视.因此需对气雾进行收集处理，以免造成整个生产车间环境的污染，进而产生带材化学腐蚀.

4.3.3新型工艺介质

选用新型的工艺介质是减少表面腐蚀的重要方法.脱脂剂由固态变为液态，钝化剂由固态水溶性差变为完全水溶性钝化剂，轧制油高黏度向低黏度发展等.这些新型工艺介质及介质参数的改进，均在不影响生产使用的情况下，对促进带材表面质量的提高起到积极的作用，并收到了良好效果.

4.3.4油水分离装置及技术

在带材清洗（酸洗）过程中，各种介质箱体中总会有浮油产生，这也是清洗的目的所在.为了防止介质中浮油对带材的二次污染，需除掉循环使用介质中的浮油.采用油水分离装置及处理技术，对保证介质符合工艺要求及节能降耗具有积极的意义.

4.4表面洁净度检测技术

带材表面的化学缺陷是由于带材表面经过清洗等工序后表面不洁净造成的，如表面清洗不净等.可以根据生产经验或目测进行判断，也可以采用量化的指标进行控制.采用表面污染物残留密度检测法[5]和重量法[6]，可以实现带材表面残留污染物的量化控制.一般带材污染物残留控制在50 mg/m2以内，带材表面的洁净度可以达到高精度带材的标准.

4.5包装质量控制

为了防止包装环境对带材表面质量的影响，可以采用真空包装的方式.同时在包装内放置干燥剂，并放置气相防锈剂，即气相缓蚀剂，可以为用户提供使用期限更长的产品.

5表面质量检测技术

长期以来，表面质量检测均依靠操作工、检验员目视进行观察和判断，缺乏统一标准和量化概念.铜带在一定速度通过时，人工监测会因机列速度高、视觉疲劳等原因造成很多缺陷漏检，或者没有统一的标准而被忽视.随着技术的进步、机列速度的加快以及效率的提高，依靠人工进行表面缺陷观察和判断已不能适用现代化生产和高精度产品的双重需要.以机器视觉为核心的板带材表面缺陷检测技术，已成为目前表面缺陷研究的重点[7].该技术主要依托发展迅速的计算机技术、数字图像处理技术及模拟识别技术[8-10].由于投资及软件使用效果等原因，目前已在个别铜带生产企业使用，在行业内还未得到推广.

另外，一些电子用引线框架材料带材冲制生产厂家，对用户提供的铜带采用显微镜进行表面坑点、划伤等缺陷的大小、深度的量化检测，对所采购的母带进行表面微观缺陷的量化检测.但由于该检测设备较为昂贵，国内铜带生产厂家目前均尚未使用.

6结语

（1） 随着技术进步和市场竞争日趋激烈，市场对铜带表面的要求越来越高，铜带的高表面质量已成为高精度带材的重要指标.

（2） 影响高精度铜带表面质量的主要因素是表面物理缺陷.铜带表面质量的影响因素众多、并贯穿于生产的整个过程，应加强技术创新，提高各工序的产品质量保障能力，同时精细管理、细心操作也是控制表面质量的重要环节.

（3） 在表面质量控制方面采用新技术、应用新材料也非常重要，如采用带坯除磷技术、同步张力卷取装置技术、表面污染物残留密度的检测技术及新型液态钝化剂等，对提高带材表面质量起到重要作用.

（4） 在线表面缺陷自动检测技术是高精度带材生产中表面检测的理想设备.它实现了带材表面缺陷的量化，甚至定位、大小和统计等，为产品质量的判定、工艺的优化提供了依据，可大大提高产品的质量信誉.

参考文献：

[1]孟慧娟，邵胜忠.GB/T 2059—2008铜及铜合金带材[S].北京：中国标准出版社出版，2008.

[2]路俊攀，李湘海.加工铜及铜合金金相图谱[M].长沙：中南大学出版社，2010.

[3]钟卫佳，马可定，吴维治.铜加工技术使用手册[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[4]廖钰敏.SiC对C19400铸态合金摩擦磨损性能的影响[J].上海有色金属，2016，37（1）：24-28.

[5]赵莉，郑晨飞.YS/T 864—2013.铜及铜合金板带箔材表面清洁度检验方法[S].北京：中国标准出版社，2013.

[6]张文芹，郑晨飞.铜及铜合金带材表面清洁度检测技术[J].有色金属加工，2013，42（5）：37-39.

[7]谢光伟.板带材表面缺陷检测技术的研究[D].苏州：苏州大学，2014.

[8]GAO Y，ZHOU N.，YANG F，et al.Pphase precipitation and its effect on martensitic transformation in（Ni，Pt）Ti shape memory alloys[J].Acta Materialia，2012，60（4）：1514-1527.

[9]GAO Y P，SHI R P，NIE J F，et al.Group theory description of transformation pathway degeneracy in structural phase transformations[J].Acta Materialia，2016，109（1）：353-363.

[10]侯红梅，刘永，夏宗旭，等.铝合金生产过程中的设备管理效益[J].上海有色金属，2014，35（1）：27-29.

（编辑：丁红艺）

表面合金化 第4篇

对于材料表面一定厚度范围内要求具有高的耐磨性, 而基体要求高的强度和冲击韧性的工况, 采用表面合金化复合材料是最佳选择之一。而界面的控制和制备工艺的稳定性一直是制备复合材料过程中最应注意的问题。本文采用自制的添加剂, 以廉价易得的高碳铬铁为合金化原料, 制备了钢基表面合金化材料, 并考查了材料的三体磨料磨损性能。

1 实验方案

a) 材料的选择:基体:ZG310—570;合金化原料:高碳铬铁粉末 (8.5%C +64.2%Cr+25.3%Fe+1.5%Si+0.5%其余) 。

b) 合金化工艺:合金化膏块的详细配比如表1所示。

c) 常温硬度测试:用HRS-150洛氏硬度计, 从合金层到基体, 对离合金层表面不同距离处进行洛氏硬度的测定, 测得结果如图1所表示。

d) 常温三体磨料磨损实验:1) 磨损试验参数:试验机主轴转速:30r/min;轨道半径:170mm;轨道宽度:20mm;磨料:精制石英砂 (50～100目) ;钢轨材料:退火20钢;标样:高铬铸铁Cr20。2) 用标样与试样的失重之比作为试样的相对耐磨性β, 并以此作为评价材料耐磨性指标。

2 实验结果

合金层表面平整, 内在品质良好, 合金粉末熔化充分, 并有一定程度的扩散, 形成了致密的合金化组织。经过显微组织观察以及元素能谱分析发现, 从合金层表面向金属基体, 金相组织依次分为外合金层—内合金层—过渡层—基体几种不同的区域。

a) 常温硬度:表面合金化复合材料的洛氏硬度如图2所示。可见, 在合金层内硬度高且较为稳定, 在结合区 (约3.0mm) 内硬度逐步下降, 钢基体一侧的硬度最低。这表明无论是合金层还是结合区过渡层, 其硬度都优于钢基体本身的硬度。

b) 常温三体磨料磨损性能:表面合金层与Cr20的磨损失重对比如图3所示。经计算相对耐磨性β=0.995。即以高碳铬铁为合金化原料得到的合金层, 其常温三体磨料磨损性能达到了高铬铸铁Cr20的水平。

合金化材料的三体磨损形貌如图4所示。从图4 (a) 可以看出, 合金化材料磨损试样的磨损面上只有部分的“挖坑”, 而没有长距离的划痕。说明在磨损过程中, 相对较软的钢基体在磨损过程中率先磨去, 碳化物能够起到一定的“支撑”作用。然而, 随着磨损过程的进行, 相对硬脆的碳化物又会出现压碎、崩落现象, 从图4 (b) 中可以看到, 磨损面的亚表层的碳化物与基体在磨面上几乎是平坦的。也就是说, 随着磨损过程的进行, 表面合金化材料的抗磨能力不再取决于材料的强度和硬度, 而是取决于它的变形能力。

3 结论

a) 从合金层表面向金属基体, 金相组织依次分为外合金层—内合金层—过渡层—基体几种不同的区域;

b) 合金层洛氏硬度高且较为稳定, 过渡层硬度逐步下降, 钢基体一侧的硬度最低;

表面合金化 第5篇

超声喷丸强化7075-T651铝合金表面性能研究

采用普通喷丸与超声喷丸两种加工方法对7075-T651铝合金进行处理.分别观察其表面形貌并对其力学性能进行测试.结果表明:超声喷丸处理后材料表面粗糙度值仅为普通喷丸试件的35.5%:两种处理方法对材料均有不同程度的`表层硬化作用,超声喷丸处理后试件表面硬化程度略高,其引入的最大压缩残余应力较普通喷丸增大了31.9%.

作 者：张新华 曾元松 王东坡 王婷 Zhang Xin-hua Zeng Yuan-song Wang Dong-po WANG Ting  作者单位：张新华,曾元松,Zhang Xin-hua,Zeng Yuan-song(北京航空制造工程研究所)

王东坡,王婷,Wang Dong-po,WANG Ting(天津大学材料科学与工程学院)

刊 名：航空制造技术  ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(13) 分类号：V2 关键词：超声喷丸   7075-T651铝合金   力学性能  

表面合金化 第6篇

0.引言

铝合金本身存在一定的缺点，比如其硬度低、耐磨性差，所以要进行一定的处理。微弧氧化技术的诞生，使得它克服了传统阳极氧化的不足，该技术可以控制工艺过程，能够生成具有优异的耐磨和耐蚀性能的陶瓷薄膜，与其他技术相比较有较高的硬度和绝缘电阻，并且大大提高了膜层的综合性能；此技术具有很多的优点，比如工艺简单，操作简易，效率高、环保；开创了一个新的技术。但此技术的应用会对铝合金表面的拉伸性能产生一定的影响，笔者在本文进行了探讨。

1.微弧氧化技术

1.1微弧氧化的基本原理

微弧氧化工艺的基础，是在阳极氧化工艺上慢慢摸索出来的。阳极需要进行氧化，其在法拉第区进行，升高金属阳极的电位，这样会升高金属阳极的电流，连续的升压，当升到一定的强度时，会进入电火花放电区，此时，会属阳极会出现一些特殊的现象，比如铝合金表面会出现电晕、辉光及电火花放电现象，发生微区放电现象。笔者本文通过对铝阳极为例，铝的阳极氧化膜的成份是A12O3、Y-AI2O3和AIOOH。由于铝的氧化物在高温会出现一定的转化，如下：

所以一般在进行微区高温高压等离子体放电的阶段，铝阳极氧化膜的转变过程会出现晶化转变，比如Y—A1203和a—A1203，形成微弧陶瓷氧化膜，具有高硬度及良好耐腐蚀性，一般情况下陶瓷氧化膜的显微硬度可以达到2000HV以上。继续升高电压，这时会进入弧光放电区，此时会出现阳极表面电流密度增大，并伴有强烈的弧光放电现象。由于弧光放电时会产生强大的冲击力，所以微弧氧化应避免弧光放电区。

1.2微弧氧化的特点

微弧氧化技术是近几十年发展起来的铝合金表面处理的新技术，目前微弧氧化技术不是很成熟，还处于研究阶段，对其描述的资料较少。但铝合金微弧氧化技术有其独特的优点：

1.2.1耐磨性能高

一般情况下，Al、Mg、Ti 合金，在进行微弧氧化后会产生Al2O3、MgO、TiO2。陶瓷相的产物是具有很强的硬度，所以经微弧氧化的铝合金具有很高的硬度，最硬的硬度可达2500 HV，因此铝合金表面具有优越的耐磨强度，其耐磨性大大高于传统工艺的膜层.其优良的耐磨性还与一些特殊的因素有关，比如润滑油的自润滑特性有关。

1.2.2耐腐蚀性能高

一般在经微弧氧化后的陶瓷层会存在大量的喷射口，但是这些喷射口一般为盲孔；与此同时陶瓷层具可分为三层结构，疏松层、致密层以及过渡层，这样的分层结构能够为金属内部起到良好的保护作用，所以能够提高耐腐蚀性能。

1.2.3工序简单、生产效率高

微弧氧化技术一般处理工序简单，且生产速度快，一般情况下，要完成一个完整的微弧氧化要做到以下的流程：除油—清洗—氧化—清洗—封孔—烘干。与传统的氧化工艺相比较，工序减少，且花费时间也减少，一般仅需l0min 左右，大大提高了生产效率，且降低了成本，增加企业的收益。

1.2.4厚度、颜色均匀

在进行微弧氧化操作时，其正极是与电源正极相接浸在溶液里的工件作，其负极是与电源负极相连的不锈钢板。加入电源以后，工件表面的电线要实现均匀分布，这样做的目的是使得陶瓷膜层的厚度以及色泽均匀。据前人研究表明，利用微弧氧化强化技术，可以在对陶瓷膜的形成后，产生一套稳定的陶瓷膜层。

1.2.5环保

在进行微弧氧化操作时，溶液中的各种离子只起导电作用，并且基本上不会消耗，所以能够循环使用，使用寿命高。另外，微弧氧化溶液一般呈中性或碱性，并且溶液中不含有重金属元素，所以说微弧氧化技术是环保的，无污染的。

2.微弧氧化对铝合金拉伸性能的影响

微弧氧化会产生不同厚度的氧化膜，并且不同厚度的氧化膜对铝合金的拉伸性能不同，以LY12CZ铝合金为例，其中O代表没有被氧化的试样，且表中每个数据都是在进行三次实验后得到的试样数据的平均值。试验结束后，通过绘制出的应力-应变曲线，可以发现弹性变形部分具有线性关系，所以能够计算出弹性模量E。

通过表1，我们可以读取O、A、B、C样品的数据，我们可以发现在对LY12CZ铝合金进行微弧氧化后，其表面可以形成60～160μm厚陶瓷氧化膜，所以对其伸性能影响不大。从总体来看，微弧氧化的样品中的一些参数有所变化，如σs、σb、δ、E值有所降低.

铝合金微弧氧化膜具有两层结构，致密层和表面疏松层，其中一半以上是致密层，大约占2/3。由于微弧区，在一般情况下是快速凝固，且受到热应力的影响，所以会在膜层表面出现小的裂纹。举例说明，比如将A、B、C样品通过特殊处理以后，得到样品A1、B1、C1，能够降低铝合金表面的粗糙程度，同是也能消除细小的裂纹。一般情况下，不同膜层厚度的样品，在经过打磨以下其抗拉强度会出现一定的变化，正如前面所说到的，铝合金表面氧化后，其σb有所下降，但是一般情况下其底线是5%，但是A表面磨光后σb却保持不变，我们在图中可以看到样品B、C的值有所增加。与前文的表1进行比较，σs、δ也会出现与σb一样的变化规律，那就是在打磨样品以后，σs、δ在比未打磨的样品有所提高，通常膜较薄且保持不变。但是我们发现不管氧化膜是否经过打磨，其σs、σb、δ值总是低于未经处理的铝合金表面的试样。

3.结语

本文通过探讨LY12CZ铝合金经微弧氧化后，其表面的陶瓷膜层是否会对铝合金的拉伸强度造成影响，实验结果表明它对铝合金拉伸性能影响不大，同是试样在经过氧化之后，其参数σs、σb、δ、E值都降低但下降量不超过5%，并且ψ值还会出现小幅度的增加。打磨试样与未磨试样相比，打磨会把氧化膜去掉，所以会导致ψ值降低，但是实验结果表明，氧化膜较厚的试样一般σs、σb、δ值会提高。总之，微弧氧化前后会对拉伸强度造成一定的影响，但是影响不大。

【参考文献】

[1]黄娜莎，倪益华，杨将新，刘远彬.铝合金表面改性技术的研究与进展[J].轻工机械，2010（4）.

钛合金胶接表面处理研究 第7篇

胶接结构中,胶接接头的强度及耐久性至关重要,被粘材料的表面性质又直接影响胶接接头的性能,因此被粘材料表面处理的研究就显得尤为重要。研究表面处理对表面物质的影响、处理后表面的稳定性、鉴别污染物、界面间相互作用等胶接现象及胶接破坏后的断面分析是研究胶接表面的重要步骤[2]。本文介绍了钛合金胶接表面处理方法和表面分析技术,并对各种表面处理方法的胶接耐久性进行了比较。

1 钛合金表面处理方法

目前,用于钛合金胶接表面处理的方法主要包括:机械方法、化学方法、电化学方法和物理方法等。

1.1 机械方法

机械方法一般包括打磨和喷砂两种方法。这两种方法由于胶接强度高、操作简单而广泛应用于工业生产。此类方法产生宏观粗糙表面,高温耐久性较好,但湿热耐久性较差。如Clearfield[3]等人用楔子试验证实了喷砂处理的TC4 /FM-300M胶接件450℃真空热老化优于铬酸阳极氧化(Chromic Acid Anodize, CAA),但湿热耐久性较差。

1.2 化学蚀刻方法

化学方法是指在常温或加热条件下采用各种腐蚀液蚀刻钛合金表面的方法。此方法一般包括酸蚀法,碱蚀法和无机盐蚀刻法。

酸蚀法与磷酸盐氟化物(Phosphate-Fluoride, PF)或改性磷酸盐氟化物(Modified Phosphate-Fluoride, MPF)无机盐蚀刻法处理钛合金表面的剥离强度和搭接剪切强度相当,但此法耐久性较差,且易发生析氢腐蚀[2]。Mahoon[4]研究了一种碱性过氧化物蚀刻法减少了钛合金的析氢腐蚀,所产生的金红石型氧化层具有胶接强度高且在200℃稳定的特点。

一些无机盐化学处理方法作为产品已应用于工业生产。Paul D.Miller[5,6]等人使用PF处理钛合金表面得到锐钛型氧化膜。Filbey J.A.[7]用TURCO 5578蚀刻表面产生约17.5nm厚,比PF处理的表面更粗糙、耐久性更好的氧化层。DapCotreat[2]蚀刻钛表面产生6nm薄氧化层,胶接接头耐久强度优于PF和MPF(60℃,100%RH,800天楔子试验)。VAST(Vought Abrasive Surface Treatment)方法[2,8]使用含2%氟硅酸的氧化铝泥浆高压喷涂钛合金表面后用5%硝酸浸泡,处理后钛合金耐久性强度比TURCO 5578略低,比PF稍高。Pasa Jell[3,8]处理钛表面产生5～7nm锐钛型氧化层,相同压力耐久性试验中湿法打磨/Pasa Jell(Liquid Hone/ Pasa Jell, LHPJ)甚至优于CAA。

化学处理方法蚀刻钛表面除去弱界面层,产生十到数百纳米厚度的坚固稳定氧化层。氧化层宏观粗糙度较多,微观粗糙度很少,耐久性优于机械方法,稍差于电化学方法。

1.3 电化学处理方法

自1973年波音公司发明了钛合金铬酸阳极化工艺以来,电化学方法处理钛合金胶接表面的研究得到了迅速发展。

铬酸阳极化在5%铬酸、少量含氟添加剂的槽液中进行,由于处理后的钛合金表面具有优良的耐湿热老化性能,得到广大研究者们的青睐。Melvin C.Locke和Yokimori Moji[9,10]用CAA处理的钛合金表面氧化层有明显的微观粗糙度(峰到谷2.1μm),厚度40～80nm,具有栏状层细胞结构和凸形纤维结构增加机械互锁,提高了耐久性。虽然CAA处理的表面较其他方法处理的表面有更好的湿热耐久性,但铬酸毒性较强,此种方法不宜推广[2,3,7,8,9,10,11,12,13]。其他酸性阳极氧化如铬酸-硫酸、重铬酸钠-硫酸、磷酸、甲酸等虽然可以产生有一定胶接强度的氧化层,但表面微观粗糙度很小,初始扭剪强度很低,长期耐久性较差[2]。

氢氧化钠阳极化(Sodium Hydroxide Anodize, SHA)和过氧化物氢氧化钠阳极化处理的钛合金具有高胶接强度和在湿热和应力条件下良好的耐久性。C.Ingram[14]采用SHA处理的表面氧化层非晶、多孔(孔直径4～5nm)、有明显微观粗糙度,与聚醚酮醚酮酮(PEKEKK)胶接拉伸强度最高可达134.2MPa。在湿热和应力条件下的耐久性试验中,SHA耐久性等同或优于CAA[2,3,14]。

C.Matz[15]使用氢氧化钠,酒石酸纳,乙二胺四乙酸和硅酸钠(NaTESi)阳极化产生了多孔、微观粗糙的表面,并证明这种表面处理对金属析氢腐蚀很低(<6.5×10-3g/L)。胶接接头在改性楔子试验和湿态剥离试验中均显示出良好的耐久性。王晓蔚[16,17]用NaTESi处理的钛合金在55℃,95%RH湿热环境中老化40天,胶接强度保持率大于65%,高于SHA处理的结果。徐修成[18]等人用湿热条件下的楔子试验证明此方法耐久性较好。王嘉陵[19]用此方法处理TC4得到剪切强度较高的均匀黄褐色氧化膜。NaTESi方法处理的钛合金表面属微观粗糙表面,润湿性好,耐久性佳且不含有毒有害物质,适宜广泛应用。

阴极沉积氧化铝(Cathodically Deposited Aluminium Oxide, CDAl)产生的金属氧化物具有良好的润湿性和湿热条件下的耐久性,胶接强度和耐久性均优于VAST和TURCO 5578[8]。

电化学表面处理中,阳极氧化的应用较为普遍。阳极氧化产生的多孔性氧化层明显增加了胶黏剂与被粘表面的亚微观机械互锁,改变了表面成分和物化性质,从而显著提高了被粘件在湿热条件下的耐久性。

1.4 物理方法

物理方法污染小,使用方便,近年来研究者尝试用此方法提高钛合金胶接性能。

等离子体喷涂(Plasma Sprays, PS)具有对表面污染物无敏感性,适用期长,易修补等优点,但仪器费用较高。PS处理的表面是微观粗糙结构,表面粗糙度为4.4μm。PS胶接件在400℃/24h的耐久性与SHA相似,优于CAA。95～100℃去离子水中楔子试验结果与CAA,SHA几乎相等[3,20]。

Ramani[21]研究结果显示硅溅射(Silane Sputtering, SS)比 PS处理的胶接件具有更好的湿热耐久性。SS表面的Si与胶黏剂相互作用有效阻止了水气浸蚀胶接界面,从而提高了胶接耐久性。研究表明,SS胶接件的耐久性与溅射厚度有关,润湿性与溅射厚度无关。

Broad[22]报道,使用汽巴激光处理 (Ciba Laser Pretreatment, CLP)的胶接件耐久性达到湿热环境下1400天没有破坏。Ingram C[23]使用准分子激光处理增加表面粗糙度并形成薄氧化层,与CAA胶接件的单搭接剪切强度相当。P.Molitor[24,25]等人用不同准分子激光(KrF,ArF,XeCl)研究处理后表面的力学性能和润湿性,证明此种处理具有时效性,并用70℃水浸泡钛合金与复合材料胶接件28 天,胶接强度只降低2%。

1.5 其他方法

除以上方法外,其他表面处理方法也可用于提高钛合金胶接强度和耐久性。溶胶/凝胶法(Sol/gel)基于混合有机/无机涂层在钛合金/胶黏剂间产生梯度的原理,通过共价键降低胶接中对酸碱作用和氢键结合作用的依赖,增加湿热环境下的胶接耐久性[26]。 底胶可保护前处理产生的亲水性表面,增加表面润湿性及防止胶黏剂逃逸而锁住多孔表面的孔隙,甚至能与被粘件和胶黏剂形成化学键,在水或水蒸气存在的条件下提高胶接耐久性[27,28]。

很多情况下单一的表面处理方法并不能满足应用要求,多种方法相结合会达到更好的胶接效果。如喷砂加底胶,喷砂加碱性/酸性蚀刻,LHPJ喷砂加氢氧化钠阳极氧化,硅溅射加阳极氧化等具有单一表面处理方法不具备的优势。

2 表面分析技术

表面分析技术是指使用各种表面分析手段研究处理后钛合金表面形貌、接触角、氧化层厚度和化学成分,判断它们对胶接强度、耐久性能的影响。

2.1 表面润湿性

表面处理主要目的之一就是提高胶黏剂对被粘试件表面的润湿性。目前,普遍采用接触角、表面能和黏附功来评价被粘表面润湿性的优劣。表面能通过GGFY方程[25]计算:

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式中:θLS为液-固接触角;γS为固体表面能(mJ/cm2);π为平衡速度压力(mJ/cm2);γL为液体的表面张力(mN/m)。

黏附功通过Young-Dupre方程[26]计算:

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一种胶黏剂胶接多种被粘物时,γL不变,θLS越小,固体表面能越高,越易于胶接。接触角可判断表面处理的时效性,如Jennifer A.用接触角测试处理后大气污染时间对表面的影响:实验室环境中P/F,TURCO,CAA接触角由0°变为10°的时间分别为12,31,72h[7]。

2.2 表面形貌

表面粗糙度对胶接体系影响较大,通过分析钛表面处理后的表面形貌及胶接破坏后的表面形貌,研究表面处理对钛合金胶接性能的影响。

表面粗糙度有宏观和微观之分,二者均能增大表面积,增加机械互锁,提高胶接强度,但通常后者比前者耐久性更好。这是因为粗糙度较大的微观粗糙表面比宏观粗糙表面更能够抵抗裂纹扩展[13]。

常用扫描电子显微电镜(SEM)测量表面形貌,轮廓仪也能测量表面的相对粗糙度(微米范围)。Jennifer A[7]使用轮廓仪测量处理后的TC4表面粗糙度中TURCO表面粗糙度最大。

2.3 氧化膜厚度测试方法

测量氧化膜厚度用于研究氧化膜厚度对钛合金胶接强度和耐久性的影响。轮廓仪可测量多孔氧化膜厚度,透射电镜(TEM)测量氧化膜多孔部分。氧化膜致密层和多孔层相对厚度的更多信息可用次级离子分光质谱(SIMS)测量,SIMS通过剖析溅射坑测量氧化膜的几何厚度[13]。

H.M.Clearfield[29]用X射线光电子能谱(XPS)和扫描金相微探针(SAM)分析330℃老化165h后CAA处理的表面氧化层厚度没有变化,而SHA处理的氧化层厚度增加,这可能是SHA高温耐久性优于CAA的原因。

2.4 表面成分研究方法

研究表面成分是研究处理后钛合金表面的化学组成,氧化物晶型,结晶度,探讨它们对胶接强度和耐久性能的影响,推断表面处理反应机理。

表面成分可通过SIMS,XPS,俄歇电子能谱(AES),出现电势谱(APS),X射线衍射(XRD)等方法进行分析。表面处理方法不同会形成不同的氧化层,如阳极氧化方法产生非晶态氧化层,碱性过氧化氢蚀刻法产生金红石型氧化层,PF产生锐钛型氧化层,不同氧化层对钛合金胶接强度和胶接耐久性产生不同影响。另外,表面处理会不可避免地引入杂质离子,不同杂质离子对钛合金氧化层胶接强度和耐久性产生不同的影响。Natan[30]用AES发现CAA处理后的氧化层/金属界面中氟浓度增加,导致胶接破坏发生在多孔结构的基部。对SHA,CPA,NaTESi阳极氧化处理的试件老化断口的C1s光电子峰做计算机解析处理,徐修成[18]发现CPA,NaTESi试件断口处有少量的羰基,酯基,还有较多的醚键,这些胶黏剂成分中的基团可能与阳极化处理后的钛合金表面形成化学结合,从而提高接头的耐湿热性能。Jennifer A[7]使用SEM和XPS分析CAA处理的多孔表面,认为孔形成的机理为表层界面的局部加热伴随选择性溶解使表面形成微孔,阳极氧化前酸蚀过程使表面具有高浓度氟导致微孔的初始形成。钛合金氧化层的形成机理已有研究,但钛合金在不同种表面处理方法的具体反应过程还需进一步证实。

3 结论

(1)各种钛合金表面处理方法均能通过增加钛合金表面粗糙度而达到提高胶接强度的目的,但对胶接耐久性的贡献相差较大。相对于机械方法和化学方法,电化学方法在湿热环境下胶接耐久性较好。电化学方法中尤以铬酸阳极化和氢氧化钠阳极化的耐久性突出,但铬酸毒性大,以氢氧化钠为基础的阳极氧化的发展应为重点。物理方法污染小,操作方便,且一些物理方法的胶接耐久性达到了电化学法水平,目前虽处于研究阶段,但前景看好。

钛合金表面改性对细菌黏附的影响 第8篇

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

钛合金(西北有色金属研究院);Bulat-6型离子增强多弧离子镀膜机(爱沙尼亚);厌氧培养箱(上海跃进医疗器械厂);超净工作台(苏州市宏伟空调净化设备有限公司)。

1.2 试件制备

制作20mm×20mm×2.0mm大小的圆盘状钛合金铸件144件,按照金属铸造支架常规制备和研抛程序将试件进行研磨和抛光。从中随机抽取72件,采用多弧离子镀法在其表面沉积均匀致密的氮化钛膜。以钛合金为对照组,镀膜后钛合金为实验组。

1.3 标准菌株

1.3.1 选取标准菌株

血链球菌(34)、黏性放线菌(ACTT19246)由上海市口腔研究所提供,白色念珠菌(ATCC76615)由同济大学附属同济医院提供。

1.3.2 开启标准菌株

取标准菌株,取血链球菌、黏性放线菌菌种分别接种于牛心、脑浸液血琼脂平板(BHI-S琼脂平板),于厌氧培养箱中以5%CO2、95%N2,37嵴培养48h。连续传代至第3代无杂菌者作为实验用菌种。以同样方法取白色念珠菌、接种于普通血琼脂平板,在普通培养箱中培养48h。连续传代至第3代无杂菌者作为实验用菌种。

1.4 体外黏附实验

1.4.1 菌液制备

分别挑取BHI-S琼脂平板、普通血琼脂平板上的菌落用1mol/L无菌PBS洗涤,3000r/min离心15min,弃上清液。沉淀的细菌又用1mol/L无菌PBS洗涤,再次3000r/min离心15min,重复3次。最后沉淀的细菌用1mol/L无菌PBS稀释,用分光光度计调整细菌浓度至A540nm=0.6。

1.4.2 细菌体外黏附

将实验组、对照组试件分别随机分成9组,每组8件。从实验组、对照组中各取出3组,将这6组试件分别置于6份8ml的BHI-S琼脂平板中,并放入1mL的血链球菌菌液,封口后在厌氧培养箱中以5%CO2、95%N2,37℃培养。在培养24、48、168h时,分别从实验组、对照组中随机取出一组试件,用无菌PBS轻洗10次.去除表面非附着菌块后放入10mL无菌PBS中备用。黏性放线菌体外粘附方法与上述相同。白色念珠菌则采用普通血琼脂培养基,在普通培养箱中普通培养,其余步骤与上述相同。

1.4.3 细菌接种和计数

将试件分别放入12mL无菌PBS中超声振荡洗涤1min,标本原液进行10倍系列稀释为1/1000后,取稀释液0.1mL分别接种于培养基上培养(血链球菌、黏性放线菌接种于BHI～S琼脂平板,白色念珠菌接种于普通血琼脂平板)。48h后计数菌落生长数量,并根据稀释倍数换算成试件单位面积的菌落形成单位(CFU/mm2)。

1.5 统计分析

采用SAS6.12软件对菌落形成单位数进行方差分析。以P<0.05为差异有显著性。

2 结果

2.1 血链球菌黏附结果

黏附24、48、168h镀膜后钛合金组试件表面的血链球菌黏附量小于钛合金组试件表面的粘附量,差别有统计学意义(P<0.001,图1)。

2.2 黏性放线菌黏附结果

黏附24、48、168h镀膜后钛合金组试件表面的黏性放线菌黏附量小于钛合金组试件表面的黏附量,差别有统计学意义(P<0.001,图2)。

2.3 白色念珠菌黏附结果

黏附24、48、168h镀膜后钛合金组试件表面的白色念珠菌粘附量小于钛合金组试件表面的黏附量,差别有统计学意义(P<0.001,表3)。

3 讨论

氮化钛属非氧化陶瓷,具有美观的金黄色。熔点2950℃,密度5.43。对水和除氢氟酸以外的非氧化性酸稳定,耐酸耐碱,湿润性小,有自润滑作用。具有NaCl晶体结构,为非化学计量化合物,其化学组成从TiN0.6变化到TiN1.6。具有优良的导电性和超导性[4]。

钛合金具有良好的机械性能、耐腐蚀性能和极佳的生物相容性,广泛运用于口腔医学修复领域。而对于口腔复杂的微生态环境,大量不同种属细菌共存,维持着动态平衡。其细菌与生物材料表面的非特异性静电相互作用和(或)特异性结合、黏附几乎是所有细菌的普通性能[5]。这就造成钛合金修复体戴用后,其表面很快形成获得性膜,微生物附着,牙菌斑逐渐形成。其中,血链球菌是最早定植于口腔菌斑中的细菌之一,对于其他细菌在口腔中黏附、定植具有重要的生物学作用,尤其为口腔链球菌的黏附创造了必要的条件。黏性放线菌具有产酸性和在牙面定居的能力,是根面龋的主要致龋菌。白色念珠菌是口腔中常见真菌之一,易定植于义齿基托,引起义齿性口炎[6]。通过控制上述细菌在修复材料表面的黏附可有效降低修复后并发症的发生,如基牙龋坏、牙龈炎、口腔组织炎等。

细菌黏附受生物材料表面理化性能的影响较大,如表面化学组成、表面自由能(包括修复材料的表面自由能、细菌的表面自由能及悬浮介质的表面张力)、表面亲水性/疏水性、表面粗糙度等[5,7]。这些理化性能影响细菌与材料表面的最初接触粘附过程,所以,通过对材料表面的改性将影响细菌粘附。目前,表面改性有很多方法,氮化钛镀膜是口腔修复材料表面处理技术的热点之一。以往研究表明,在钛合金表面形成一层均匀致密的氮化钛膜,能改变其表面化学组成[8],有效提高耐腐蚀性、耐磨损性[9].

本实验结果显示,镀膜后钛合金组表面细菌黏附量较纯钛组显著减少(P<0.001)。表明利用氮化钛涂层的抗菌性能,可有效控制与细菌有关的口腔修复并发症的发生,并为口腔修复材料的发展和改进提供实验依据。同时,本实验中3种细菌在相同黏附时间段的细菌黏附量不同,提示不同细菌具有不同的黏附能力.而细菌不同的黏附能力主要与材料及细菌表面自由能、亲水性/疏水性等因素有关。

参考文献

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[4]Quitynen M,Bollen M.The influence of surface roughness and surface-free energy on supra and subgingival plaque formation in man:A review of the literature[J].J Clin Periodontol,1995,22(1):1-14.

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[8]黄承敏(导师：巢永烈)．等离子浸没注入和多弧离子镀对纯钛及钛合金表面改性的基础研究．四川大学[D]．2004．

铝合金轮毂表面处理新技术 第9篇

目前, 铝合金轮毂表面处理工艺主要分为涂装 (喷漆或喷粉) 和电镀两大类, 过去那种单纯的阳极氧化膜处理工艺已逐步被淘汰。其中, 涂装采用的先进工艺是:预处理→喷底粉→喷色漆→喷透明粉。涂状设备为涂装自动生产线, 由表面预处理、烘干、静电粉末喷涂、喷漆、固化等设备组成, 传输系统以地面链的方式将轮毂水平放置, 轮毂可自转, 并带有搬运机器人、粉末回收系统、粉末更换系统和废水处理装置;在使用的自动化涂装工艺装备中, 常选用静电喷枪和高速静电旋杯喷枪技术 (转速20 000r/min以上) 、环保型无铬化预处理技术、喷透明粉技术、环保型水性漆技术等, 效率高、省涂料、环保, 已是铝轮毂涂装技术发展的新趋势。

铝轮毂电镀最早兴起于美国, 高档汽车配上这样的轮毂显得华丽而且与众不同, 主要原因是铝的轻质与装饰铬外观的完美结合。镀铬工艺主要流程为:除油→清洗→酸蚀→预镀锌→预镀暗镍→预镀亮铜→清洗→活化→镍封→镀铬→清洗→吹积水→烘干, 电镀设备可采用连续通过式或步进式的电泳槽, 但这样的传统电镀工艺由于使用强酸、强碱及氰化物、铬酐等有毒有害化学品, 产生的废水成分复杂, 对环境影响很大。随着社会环保意识的加强, 大力发展环保产品才能真正促进经济发展, 任何牺牲环保与浪费资源的发展都只能是短暂的, 所以近几年来, 国内外都加大了对铝轮毂表面处理的研究, 新技术、新工艺也层出不穷。

无铬钝化预处理工艺

钝化的主要作用是在轮毂表面形成一层钝化膜, 借以提高漆膜的整体附着力和耐腐蚀性。目前我国比较常用的还是铬盐钝化, 其钝化效果非常好, 但铬是重金属, 对操作人员和周围环境将造成长期危害。先进的钝化技术是采用无铬钝化, 但由于一遍无铬钝化的效果不如有铬钝化, 很多预处理药品公司推出了两步分解钝化的工艺, 即采用两种不同的钝化剂分步处理, 同样达到铬化效果, 附图为凯密特尔 (Chemetall) 典型的铝合金轮毂无铬钝化预处理工艺, 其与有铬钝化的比较见附表。

纯聚酯粉末涂料

汽车轮毂以前一直采用溶剂型醇酸磁漆进行涂装, 在使用时发现喷涂过程中漆液四处喷溢, 无法回收, 漆料利用率较低。同时, 因为漆料中含挥发性有机化合物 (VOC) , 不仅对环境造成污染, 而且对人体亦有害。因此, 为适应环保要求, 保护工人身体健康, 牡丹江双兴化工有限公司开展了纯聚酯粉末涂料 (HZM 7018) 在汽车轮毂涂装中的应用研究。

纯聚酯粉末涂料除具有一般粉末涂料的优点外, 还具有固化时无副产物, 涂膜外观平整, 与金属底材附着力好、耐划伤、耐变色性强等诸多优点, 在使用过程中效果良好。施工过程中, 一般采用静电粉末涂装法, 利用电晕放电现象使粉末涂料带电后吸附在轮毂上。其过程是, 粉末涂料由供粉系统借压缩空气送入喷枪, 在喷枪前段加有高压静电发生器产生的高压, 由于电晕放电, 在其附近产生密集的电荷, 粉末由枪嘴喷出时, 形成带电粒子, 它受静电力的作用, 被吸到与其带相反电荷的轮毂上, 随着喷上的粉末增多, 从而使轮毂获得一定厚度的粉末涂层。然后经加热使粉末溶融、流平、固化, 在轮毂表面形成坚硬的涂膜。

汽车轮毂涂装中应用纯聚酯粉末涂料, 在简化操作、降低劳动强度、降低成本、提高工作效率、改进产品性能等诸多方面均优于溶剂型醇酸磁漆, 特别是减少了对环境的污染, 符合国际上突出的环保要求, 为与国际同类产品接轨创造了条件。

铝轮毂直接电镀新工艺

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所推出的铝轮毂直接电镀新工艺, 就是在A356铸造铝合金基础上研发出来的新技术。铝轮毂直接电镀活化剂是当前电镀领域内独一无二、具有国际先进水平的无毒、无味、无污染绿色环保新产品。使用活化剂直接进行预镀镍, 不污染镀液, 槽液稳定。活化剂少量地带入镀镍槽中, 促进了电解液的自催化功能, 增强了铝基底与镀层间的结合力。

该工艺操作程序简单、使用方便, 无技术上困扰, 打破了铝轮毂电镀只有通过二次浸锌处理才能进行电镀传统工艺的束缚, 使铝轮毂电镀不用二次浸锌, 即可直接进行电镀;克服了电解液容易受到二次浸锌溶液中有害杂质影响, 污染镀镍溶液, 使镀层质量不能保持稳定, 电镀操作程序复杂, 技术难度大, 经常调整、更换预镀镍溶液等不足之处。铝轮毂直接电镀新工艺使经过活化后的铝轮毂像钢铁零件一样顺利地在其表面沉积一层光亮、致密、结合力良好的镀层。

表面树脂漆涂装与电镀结合的工艺

所谓涂装电镀轮毂就是将热处理后的铝合金轮毂粗坯进行金属加工, 并留有一定的余量, 轮毂表面全部用树脂漆涂装, 再采用车刀切削掉部分涂装树脂部位 (轮毂前后表面平整部分) 露出铝合金底材, 以供电镀, 减少了常规电镀前需要的抛光工序而直接进入电镀前处理, 既可保证轮毂的尺寸又达到了外观要求。这种仿镜面车削方式没有明显的刀纹, 通过车削速度的控制和调节来保证涂层完整, 特别是车削亮面与涂层结合处涂膜的连续性。根据所需的不同颜色调配好色漆, 再按涂装条件在轮毂上喷涂一层底漆, 经预热后再喷上一层罩光粉, 色泽均匀后设定一定温度和时间进行烘烤, 使涂层附着在轮毂上不脱落。这样涂装的轮毂非电镀部分有特殊的油漆、粉末涂层作保护, 电镀时涂装层不会褪色, 两种涂镀层分界面不需要粘贴胶带纸, 保证了涂装层与电镀层色彩的过渡与亮度的结合。

树脂漆涂装与电镀结合的工艺还具备以下优点:

(1) 防护和装饰性用涂装—局部电镀的方法得到的轮毂具有良好的防护和装饰性能, 兼具了涂装和电镀的优点。因涂装电镀轮毂既有涂装的颜色, 又有电镀的颜色。以后随着顾客的不同要求, 还可以加工成不同的电镀颜色, 如镀铬、镀金、仿金、枪色及黑铬等。

(2) 节能节材与传统的电镀轮相比, 涂装电镀轮电镀面积比较少, 一般只电镀外胎环和边缘或部分正面, 这样可以节省阳极的损耗;由于涂装轮一般没有很深的低电位, 故电镀时电流可以较小, 时间可以缩短, 这样既可以节省电能, 同样也可以节省电镀时铜、镍等阳极的损耗。

真空电镀已经成环保新趋势

为了适应汽车更安全、更节能、降低噪声、减少污染物排放的要求, 铝合金轮毂已经全面向大直径、轻量化、高强度、更美观等方向发展。为了减轻轮毂重量、提高强度, 一般采用锻造工艺、组装式工艺生产轮毂, 可减轻重量20%左右。同时, 在表面处理工艺上, 真空电镀已经成为环保新趋势。与一般的电镀不同, 真空电镀更加环保;同时, 真空电镀可以生产出普通电镀无法达到的光泽度很好的黑色效果。

1.真空金属喷镀

加利福尼亚的两位发明者正在推广一种经济环保的镀铬工艺, 可以用于电镀诸如汽车轮毂等要求装饰性和耐用表面的产品。该工艺采用真空金属喷镀技术和富镍铬合金。戴姆勒-克莱斯勒公司的克莱斯勒分部已经批准在其汽车上使用这项精饰工艺, 注册商标为PermaStar®。具体工艺是:先高温涂两层底料, 生成“玻璃状表面”, 不进行常规的机械抛光;然后把涂过底料的轮毂或其他部件放到含有少量氩气的真空金属喷镀室内, 通过蒸发的方法将80%镍和20%铬的基层涂料镀到部件上, 厚度为1.0×10-7m。也可以用同样的方法镀一层0.5×10-7m厚的纯铬镀层, 最后是丙烯酸保护层。

该工艺具有环保上的优势, 每个轮毂所用的镍铬量较少, 重量也比传统电镀的轮毂轻。这样既能在制作轮毂时节约材料, 又减少了轮毂回收时的镍铬损失。涂层可以粘在各种材质 (钢、镁、青铜、黄铜、铝和塑料) 上, 而且能用在任何有腐蚀性的环境。PermaStar®涂层的两大优点是:整个工艺不采用六价或三价铬, 也不用其他有害化合物, 而且能大大节省成本 (一条100只/h的轮毂生产线, 每个轮毂施用该镀层的成本为8.75美元, 而传统的镀层至少是45美元) 。

2.复合涂层技术

浙江湖州金泰科技股份有限公司与上海交通大学合作, 针对传统电镀生产存在的问题, 在涂层结构上采用“有机底涂层→真空镀层→有机面涂层”取代了电镀的“镍-铜-铬三金属镀层”, 使产品的表面质量和理化性能大致与电镀铝合金轮毂相当, 使生产工艺显著简化, 大大节省了镍、铜、铬等贵重金属的使用以及水资源的消耗, 减少了对环境的污染, 综合生产成本也大幅下降, 同时还省去了高强度的抛光工序, 改善了劳动强度和生产条件。

该技术在许多装饰件中得到了广泛应用, 最常用的方法是在有机底涂层的表面进行真空蒸镀或磁控溅射镀铝, 然后用有机面涂层保护。但对于铝合金轮毂这样使用条件较为苛刻的工件来说, 一般方法却难以胜任, 其中有机底涂层的设计和制备非常重要, 采用环氧聚酯粉末涂层、甲基丙烯酸甲酯——丙烯酸酯 (共聚) 涂层和聚丁二烯高温绝缘涂层紧密配合共同组成了可靠的底涂层, 其厚度达到90～100μm。

真空镀膜通常采用磁控溅射法, 溅射功率, 尤其是溅射电压的选择很重要。这是因为在有机底涂层上进行溅射镀膜时, 有机底涂层中会有某些物质溢出, 如果沉积粒子的能量和速率不高, 那么会影响真空镀膜层与有机底涂层之间的附着力。同时也会影响到膜层色泽以及出现“工件深处漏镀”等问题。在单用磁控溅射不能完全解决漏镀问题时, 可考虑采用磁控溅射与离子镀的复合处理。

涂层的最终性能在很大程度上取决于面涂层的质量和性能。目前, 采用“丙烯酸酯-异氰酸酯”透明涂料的喷涂及热固化, 已能满足一般产品的要求, 而对表面硬度要求达到4H (铅笔硬度等级) 或更高时, 需再涂覆特殊保护涂层。

纳米技术应用

1.纳米镜面喷镀

北京德奈米克科技有限公司经过多年的实践, 发明了一种纳米镜面喷镀 (仿电镀) 新技术, 从此, 人们开始告别传统电镀生产过程中带来的一系列危害, 远离污染。

纳米镜面喷镀工艺原理是:采用专用设备和特定原料, 应用化学反应原理通过直接喷涂的方式达到电镀的效果, 使被喷物体表面呈现铬色、镍色、沙镍、金、银、铜及各种彩色 (红黄紫绿蓝) 渐变色等镜面高光效果。

工艺流程为:前期处理 (有油除油、有锈除锈) →喷涂底漆 (可用工厂现有的底漆) →烘干→纳米镜面喷镀设备喷反应层→喷涂面漆 (可用工厂现有的面漆) →烘干→成品包装。

该技术经过实际生产的技术创新后, 减少了原有工艺的两道工序, 减少了材料的用量, 降低了成本;反应层为速干产品, 操作工艺更简便;全面突破了油漆的局限, 无论任何油漆或粉末喷涂都可以和纳米镜面喷镀结合。

2.纳米易清洁涂料和涂层

常州纳罗可涂料有限公司的谢荣才博士采用纳米技术领域中一个新颖材料体系得到的表面涂层, 其产品是一种透明或淡黄色的纳米溶胶-凝胶绿色涂料, 可在各种工件表面形成“荷叶效应”, 产生不亲油/水、不粘灰尘、易清洗的涂层。硬化后涂层的厚度非常薄, 大约为3～10μm, 能满足尺寸的精确要求, 并具有高温保护功能和防温度突变功能, 能耐200℃以上的高温。

该产品还具备高硬度、抗菌、耐有机溶剂等功能, 同时不含有害物质, 完全符合RoHS指令 (是“在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令”的缩写) , 使用过程中也不含任何废渣、废水排放;产品施工工艺简单, 可浸涂、喷涂、刷涂, 常温或100℃就能固化。

亮丽永驻法

美国铝业公司所属克利夫兰市特种锻造铝轮毂部 (Forged Specialty Wheels) 研发的汽车零部件及轮毂表面处理技术, 是一种领先世界先进水平的处理法。经此工艺处理后的膜层色彩亮丽、色调柔和, 与母体结合牢靠, 具有很强的抗腐蚀性能, 而且极易维护。美国铝业公司将此工艺称为“Dura.Bright” (亮丽永驻法) 。这不是一种膜层处理法, 也不是一种装饰性处理工艺, 而是与铝基体 (母体) 发生了反应, 因此与铝融为一体, 与轮毂形成一个整体的先进处理工艺。处理后轮毂具有优异抗碰撞、抗开裂与抗腐蚀性能, 极强的抗污染性能, 很少吸附尘埃, 易于维护, 每隔一段时间用肥皂水轻轻擦拭, 即可恢复轮毂原来的亮丽光泽, 熠熠生辉。

结语

表面处理是保证铝合金轮毂在生命周期内安全、优异运行的重要工艺环节。轮毂在非常恶劣的环境中使用, 需要良好的耐腐蚀性能、抗石击能力, 还必须有美观的外表。铝合金轮毂产品的第一观感是外观, 外观效果的最大作用是可以刺激用户的购买欲, 从而提高产品的附加值, 并直接扩大铝合金轮毂的产销量, 这给表面处理提出了很高的要求。铝合金轮毂是一种技术密集型的产品, 表面处理领域的技术创新也层出不穷, 其中在涂料、工艺、环保等方面都有了很大的进展。

随着中国汽车工业面向全球的高速发展, 对汽车产品质量和环保的双重要求都在不断提升, 铝合金轮毂的外观质量要求也越来越严格, 因此轮毂生产企业和表面处理厂家, 都必须及时跟踪当今世界的先进表面处理技术, 满足不同层次顾客的个性化需求, 积极应对, 才能实现市场的最大化。

镁、铝合金表面自纳米化研究现状 第10篇

关键词：表面自纳米化,镁合金,铝合金,制备

0 引言

表面自纳米化(Surface nanocrystallization,SNC)技术自卢柯于1999年首次提出以来[1],在低碳钢[2,3]、不锈钢[4]、铜合金[5]、钛合金[6,7]、镁合金[8,9]、铝合金[10,11]等材料表面得到了实现,即通过弹丸反复多方向的撞击材料表面,使其发生塑性变形,从而在材料表面形成一定厚度的纳米结构层,而基体材料仍保持原始的粗晶状态和化学成分。研究者们对表面纳米层的形成机理[9,12,13,14,15,16]、组织演变[17]和性能如热稳定性[18,19]、扩散性[20,21,22]、耐蚀性[9,23,24]、硬度[25,26]、强度[27,28]、耐磨性[21,29,30]、粗糙度[31,32]等进行了研究。根据表面自纳米化制备方法和原理的不同,获得纳米结构表层主要有3种方法[33]:表面涂层/沉积纳米化、表面自身纳米化以及混合纳米化。比较这3种方法,由非平衡处理方法得到的表面自身纳米化更具有开发应用潜力,一方面材料的组织沿厚度方向呈梯度变化,在使用过程中不发生剥层和分离,无需考虑纳米层与基体间的结合问题;另一方面又可以利用传统的表面机械处理方法或对其进行改进就可实现,在工业应用上不存在明显的技术障碍。目前常用的表面自纳米化方法有表面机械研磨处理(SMAT)[6,34]、超声喷丸(USSP)[10,35]、高能喷丸(HESP)[27]、气动喷丸、超音速微粒轰击[36]等。

本文综述了近几年镁、铝合金表面自纳米化的制备方法、晶粒细化机理、结构特征和性能等方面取得的研究成果,并对它们进行了对比,展望了表面自纳米化技术的发展趋势。

1 镁、铝合金表面自纳米化的制备方法及组织结构特征

1.1 镁、铝合金表面自纳米化的制备方法

近年来,对液态成形或热轧态镁、铝合金表面实现表面自纳米化的主要方法列于表1。采用不同工艺,得到的纳米层晶粒尺寸、变形层厚度不同。相比其他方法,表面机械研磨处理(SMAT)的试样晶粒尺寸更小。同一基体材料采用不同表面自纳米化方法,晶粒尺寸与变形层厚度也有很大区别;采用相同表面自纳米化方法,对于同一基体而不同成形方法的材料,晶粒尺寸与变形层厚度也有很大区别。

1.2 表面自纳米化的组织结构特征

目前的研究表明,在表面自纳米化过程中,弹丸不断冲击试样表面,外加载荷以随机的方向重复作用于材料表面,每次接触都会在材料表面的局部区域产生一个应力场,使材料发生局部塑性变形。由于应力、应变和应变速率沿厚度方向增加而逐渐减小,因此材料的变形量沿厚度方向呈梯度变化,变形区的组织和晶粒尺寸也随深度的不同呈现出不同的特征。一般将表面层分为4层:纳米结构表层、细化的亚微晶层、变形细化的微晶层和基本没有变化的基体[33],如图1所示。

图2是半固态成形AZ91D镁合金在不同工艺参数SMAT后的晶粒尺寸变化曲线,在不同的工艺参数条件下,试样最表层晶粒尺寸变化趋势不同,且工艺参数对其影响程度不同。

2 镁、铝合金表面自纳米化机理

铝属于面心立方晶体结构,层错能为166～200mJ/m2[39],属于高层错能金属。镁属于密排六方(HCP)晶体结构,层错能为60～78mJ/m2[40],属于中等层错能金属。材料的结构决定着滑移系的数目,面心立方结构的铝晶体共有12个晶体学上等价的滑移系,密排六方结构的镁晶体滑移系只有3个。由于晶体发生塑性变形时滑移总是沿最密面、最密方向进行,因此虽然密排六方晶体的体致密度和原子配位数与面心立方晶体相同,但由于两种晶体原子密排面的堆垛方式不同,晶体的塑性变形能力相差悬殊。另外,表面自纳米化过程中晶粒细化机理、塑性变形方式与材料特性(主要涉及材料的结构、层错能、取向和相组成)和工艺参数有关。

对于铝合金,塑性变形主要变形方式是位错运动,晶粒细化的基本过程可分为[10,13]:①在原始粗晶或细化的位错胞、亚晶粒内,位错墙或位错缠结结构的形成;②位错墙和位错缠结转变成小角度取向差的亚晶界,细分粗大晶粒成单个的亚晶粒;③亚晶界演变成大角度晶界,纳米晶粒形成。

镁合金塑性变形的主要方式是位错运动与机械孪生,根据文献[13,40],当SMAT工艺参数变化时,镁合金晶粒细化过程也不一样,当弹丸直径是6mm(材料GCr15)时,镁合金晶粒细化的基本过程与铝合金相似,只是最后一步细化过程是在亚晶晶界处发生动态再结晶,导致晶粒进一步细化至纳米级。当弹丸直径为8mm(材料GCr15)时,镁合金的晶粒细化的基本过程可分为[40]:①将原始粗晶分割成细小的孪晶片;②在孪晶板条上出现了更多的孪晶和堆垛层错,激活位错滑移系统,位错运动逐渐将孪晶片细分为亚晶;③在亚晶晶界处发生动态再结晶,导致晶粒进一步细化至纳米级。

3 表面自纳米化对镁、铝合金性能的影响

表面自纳米化改变了材料表面的组织和结构,使表面晶粒达到纳米级,对材料的硬度、耐磨性和强度产生了一定的影响。H Q Sun 等[8,30]研究表明,AZ91D镁合金经表面自纳米化后,表面硬度比基体提高了2倍,表面自纳米化前后试样的磨损量随载荷的增大而增大,但是表面自纳米化后的磨损量总比原始试样的小,当载荷大于7N时,摩擦系数随载荷的增大变化不大,但是表面自纳米化后的摩擦系数总低于原始试样,当载荷小于7N时,表面自纳米化前后摩擦系数相近,如图3所示。侯利锋[25,37]等借助Ф6mm不锈钢弹丸,在真空条件下对镁合金进行表面机械研磨处理,其表面硬度比基体高。胡兰青等[13]采用表面机械研磨处理,通过Ф8mm不锈钢弹丸在真空条件下对铝合金表面自纳米化后,硬度与基体相比提高了4倍多,在不同应变速率下屈服应力也明显提高,说明表面自纳米化能有效地提高材料的整体强度,如图4所示。李茂林[41]研究的铝锂合金经表面自纳米化后表面硬度也提高了4倍多。何静[42]采用高能喷丸使7A52铝合金焊接接头表面自纳米化后,表面硬度明显提高,表面自纳米化后焊接接头、母材的磨损量分别是表面自纳米化前的29.9%、28.2%。图5(a)是半固态成形AZ91D镁合金表面自纳米化后的硬度变化曲线,可以看出,与心部相比表面硬度显著提高,且沿厚度方向逐渐增大至基体[38]。

4 表面自纳米化对镁、铝合金耐蚀性的影响

刘宝胜[9]研究表明,液态成形AZ91D镁合金经30min 表面自纳米化(SMAT)后,在3%NaCl(质量分数)腐蚀介质中,与原始试样相比,腐蚀电位减小、腐蚀电流增大,即表面自纳米化降低了AZ91D镁合金的耐蚀性能。这是因为表面自纳米化后样品表层储有大量的残余应力,在腐蚀介质中易发生应力腐蚀;而且,纳米材料晶界面体积分数等使表面活性增加[43,44],从而降低了试样的耐腐蚀性。图5(b)是半固态成形AZ91D镁合金经120min表面自纳米化 (SMAT) 后,在3.5%NaCl(质量分数)腐蚀介质中的极化曲线。由图5(b)可以看出,表面自纳米化后腐蚀电位减小、腐蚀电流增大,也就是表面自纳米化后耐蚀性降低了。但是唐锋林[23]研究A04112铝合金和液态成形AZ91D镁合金表面自纳米化(气动喷丸)前后在3.5%NaCl(质量分数)腐蚀介质中的耐蚀性发现,表面自纳米化后腐蚀电位增大、腐蚀电流减小,说明表面自纳米化后两合金的耐蚀性提高了。黄贞益等[45]对08Al铝合金表面自纳米化后进行盐雾试验发现,材料的耐蚀性大幅度提高。从现有研究结果可知,影响表面自纳米化后耐蚀性的因素除晶粒尺寸外,还有表面纳米化工艺因素,它对材料的结构、成分及状态等造成不同的影响,其中任何一个因素发生变化,都会导致材料腐蚀性能的改变。

5 表面自纳米化对镁、铝合金热稳定性的影响

金属表面自纳米化后热稳定性十分重要,因为对于纳米晶体材料,一方面由于具有极高的界面体积分数使之处于较高的能量状态即亚稳态,在一定的外界条件(如温度场、电场、磁场、力场等)作用下,将使之向更为稳定的亚稳态或稳态转变,一般表现为固溶脱溶、相转变和晶粒长大,而晶粒长大可以减少界面体积分数从而降低其能量状态,因此晶粒长大的驱动力很高。同时,按照经典的多晶体晶粒长大理论,晶粒长大的驱动力Δμ与晶粒尺寸d的关系可由Gibbs-Thompson方程[46]描述:

Δundefined

式中:Ω为原子体积,γ为晶界能。从上式可以看出,晶粒长大的驱动力与其晶粒尺寸成反比,随晶粒尺寸的减小,晶粒长大的驱动力显著增大,即纳米晶体的晶粒长大驱动力从理论上讲要远远大于一般多晶体,甚至在常温下,纳米晶粒也难以稳定。然而大量的实验表明,不同方法制备的纳米晶体材料在一定程度上都具有较高的热稳定性。在室温下稳定,尺寸不变,表现为其晶粒长大的初始温度较高(有时高达0.6Tm,Tm为材料的熔点)。单质纳米晶体晶粒长大的起始温度在0.2Tm～0.4Tm之间[47],比普通粗晶材料的再结晶温度(约0.5Tm)低,纳米合金的晶粒长大温度往往高于0.5Tm[48]。

樊新民[18]研究7A04铝合金表面自纳米化后热稳定性的结果表明,表面自纳米化后再经200℃退火处理,晶粒尺寸约为100nm,经300℃退火处理后,晶粒尺寸约为200nm,当退火温度达到400℃、500℃时,晶粒明显长大,说明7A04铝合金在300℃以下具有好的热稳定性。这是因为7A04铝合金材料在200℃、300℃退火时,析出的MgZn2强化相有效抑制回复和再结晶粒子的长大,而且MgZn2相能有效钉扎晶界,阻碍晶粒长大,因而使材料保持较好的组织热稳定性,但在400℃以上MgZn2相发生了溶解,试样表层部分晶粒发生完全再结晶,晶粒明显长大。此外在200℃退火后,试样表层的显微硬度下降至250Hv,但仍比基体高,当在300℃退火时,不仅表面塑性变形层的硬度明显下降,同时基体的硬度由于过时效也明显降低,说明在300℃以下表面硬度有较好的热稳定性。麦永津等[19]的研究结果表明,7050铝合金表面自纳米化后晶粒尺寸、表面硬度在200℃以下具有良好的热稳定性。胡兰青实验结果表明,LC4铝合金表面自纳米化后,经150℃退火后,晶粒尺寸约为100nm,当温度升高到250℃,晶粒尺寸长大至200nm以上,300℃退火处理时,晶粒急剧长大,说明LC4铝合金250℃以下具有好的热稳定性。总之,表面自纳米化的试样不能简单地按经典晶粒长大理论来描述,其中存在一些纳米晶体结构的本质影响因素:①纳米晶界是由晶界、三叉晶界和界偶3部分组成,相互交会的晶界达到一种平衡状态,如某一晶界发生移动,这种平衡就会破坏,且三叉晶界和界偶的位置也要移动,从而引起相互交会的其他晶界的连动,这样的移动显然比单纯的单晶界移动需要更大的能量;②纳米材料中的杂质比较倾向于在能量较高的三叉晶界和界偶偏聚,对晶界的移动起阻碍作用,这类似于杂质吸附在位错运动起钉轧作用[49]。综上所述,含杂质纳米材料比粗晶材料具有更高的热稳定性。

6 发展趋势

表面自纳米化技术由于纳米层与基体结合紧密、工艺简单等优点,在工业应用中有着巨大的前景,但是实现工业化还存在很多问题,如处理件尺寸较小等;对处理后材料的性能分析主要集中于材料的热稳定性、硬度等,对整体强度、磨损等性能研究较少。

表面自纳米化技术研究还有很多问题需解决:①不同表面自纳米化工艺参数对材料变形层结构、晶粒细化机理、性能等的影响;②材料前期固溶处理等热处理对纳米化效果、细化机理的影响以及表面自纳米化后耐蚀性与化学性能的影响;③表面自纳米化的微观机制及形成动力学;④在耐蚀性方面,由于工艺的不同,对其影响也不同,应就其具体原因进行分析等。

报废镁合金表面涂层的清洗技术分析 第11篇

1 对报废镁合金表面涂层的清洗的意义

镁合金本身具有高强度、减震性、散热性、电磁屏蔽性以及易加工、可回收等诸多优点。因而被广泛的应用于航天、军事、交通、通信等多个领域, 也被称为“绿色材料”。此外, 镁合金材料的外观感和手感都非常好, 制作成产品外壳可以显著提高产品的档次。因此, 现有的在主要3C产品制造都是以镁合金来制造其外壳的。另一方面, 伴随着镁合金越来越广泛的应用, 报废的量也越来越大。

但是, 在对其进行回收和处理的过程中, 最困难, 也是最关键的一个环节就是对其表面涂层的清洗。回收压铸会使镁合金的表面涂层附着夹杂物和脱模剂, 面对这种现象, 清除的方法也非常的简单, 只需要使用普通性的清洗液, 就可以很好的进行清除。然而, 对于报废镁合金来说, 因中转途径较多, 表面存在的污染也是各不相同的;另一方面, 报废镁合金的表面涂层成分还是非常复杂的, 其基体材料的附着力也是极强的, 普通性的清洗液不能够应对各种的清除操作。而报废镁合金表面的涂层如果不能进行清除, 也就会在回收熔炼的过程中污染环境, 产生一系列的负作用, 进而影响到对其持续可循环利用的价值与体现。所以, 我们要对其表面涂层的清洗技术与操作予以足够的重视。

2 报废镁合金表面涂层的清洗方法

目前, 清洗报废镁合金表面涂层的清洗方法主要有物理和化学两种。物理方法指的是采用机械打磨、湿砂喷射、超声波清洗、高压射流、激光清洗等清洗操作形式;化学方法则是采用酸洗、碱洗和有机溶剂等进行清洗操作。这种清洗操作较为简单, 而且对设备的要求不高, 可以对不同成分的报废镁合金表面涂层进行处理。

但是由于大多数的有机溶剂都具有有毒、易挥发、成本高、废液不易处理等特征。因此, 在使用化学方法清洗镁合金表面涂层的过程中, 经常使用的是碱性溶液。虽然使用碱溶液需要加热, 而且还需要有专用的配套处理设备。但是它成本低、安全性高、危害性小。

在配制碱性清洗溶液的时候, 经常采用的碱性物质是氢氧化钠、碳酸钠、硅酸钠、磷酸钠、硼酸钠等。通常是采用其中的两种或两种以上的物质进行混合配置, 有时甚至还要添加一定的表面活性剂和有机溶剂。值得注意的是, 这仅仅是对报废镁合金表面涂层碱性清洗液的通用配制方法。绝大多数都可以对报废镁合金表面涂层进行有效的清洗。但对于附着力较强的树脂类有机涂层就不起作用了。因此, 我们需要根据镁合金表面涂层的化学性质, 设计相对应的清洗液配方, 以便可以切实有效的进行清洗操作。

此外, 镁合金在进行涂层前一般都要进行磷化, 这样才可以使得镁合金基材的表面变得粗糙, 从而增强其涂层的附着能力。因此在对其进行清洗前, 可以先利用苯甲醛进行初步溶解, 使其渗透到表面涂层网状的交联结构之中, 破坏涂层表面与镁合金基材表面的静电作用, 促生溶胀现象, 从而达到清洗掉其表面涂层的目的。此外, 甲酸的酸性可以加快其渗入速度, 从而提高清洗的效率, 加速清洗操作。

3 温度对报废镁合金表面涂层清洗的影响

处在不同的温度下的清洗溶液, 对报废镁合金表面涂层的清洗效果也是不同的。温度升高, 分子的热运动就会加速, 对表面涂层的清洗更加有利。但同时, 也使得清洗过程消耗了更多的热能, 加快了清洗溶液的挥发。因此, 我们在对报废镁合金表面涂层进行清洗的同时还要充分考虑到需要温度条件。这一因素还会考虑影响到生产时间、生产效率、能源消耗等方面, 从而对清洗的成本和效果产生的直接影响。

4 结语

通过对报废镁合金表面涂层的清洗, 将有利的提高其回收再利用的价值, 实现对现有资源的节约和再生。同时, 也减少了对周边社会环境的影响和污染。

参考文献

[1]高正源, 潘复生.镁合金表面功能涂层制备与界面表征技术的研究进展[J].功能材料, 2012, 14:1817-1821+1824.

[2]王海燕, 李明照, 王皓, 冯冲, 任川兮.报废镁合金零部件表面涂层去除机理研究[J].太原理工大学学报, 2014, 02:179-183.