技术资料——模具行业从业者必备知识手册

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镁合金微弧氧化技术
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主要内容：
镁合金
表面处理技术
微弧氧化技术
微弧氧化技术的工艺
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一、镁合金
1、镁 
 镁是地球上储量最丰富的元素之一，在地壳表层金属矿的含量为2.3%。纯镁为银白色金属，其熔点是651℃，密度为1.75—1.85g／cm3，仅为钢的1/4，铝的2／3，是最轻的工程金属。
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但是纯镁力学性能很差，不能用来做结构材料，经过合金化及热处理以后，其强度大大提高，得到了广泛应用。
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2、镁合金的牌号及组成
 镁合金的牌号一般由两个字母代号和两个数字构成。两位上述字母代表该合金的主要组成成分，而后两位数字则是这两个字母对应的两组的质量分数[1]。
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例如：
 AZ91表示该镁合金大约含9%的铝和1%的锌。
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常见镁合金的组成：
 MB8镁合金（质量分数，%)：Al 0.2，Mn 1.3~2.2，Zn 0.3，Ce 0.15~0.35， Ni 0.07 ，Si 0.1，杂质 0.3 ，余量为 Mg 。
 AZ91D镁合金：Al 8.3~9.7，Zn 0.35~1.0，Mn 0.15~0.5，Si 0.1，Cu 0.03，Ni 0.002，Fe 0.005，其他杂质0.02，余量为Mg。
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3、镁合金的特性[2]：
 良好的机械加工性能；
 抗冲击和抗压缩能力强；
 良好的阻尼减震性能；
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优良的导电、导热性能；
 良好的电磁屏蔽性能；
 良好的尺寸稳定性；
 无污染，对环境无影响。
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4、镁合金的应用
 汽车、摩托车、飞机零件，如：汽车离合器外壳、变速箱外壳、变速箱上盖、发动机罩盖、方向盘、座椅支架、车门内板、轮辋、转向支架、刹车支架；
 航空航天、电子、军事以及核能；
 计算机和通讯设备，如：笔记本电脑、手机、MP3。
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汽车配件
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通讯设备
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餐具
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最新的LED技术照明系统
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专用监控摄像系统
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二、表面处理技术
镁合金的电极电位很低，极易被腐蚀。虽然镁合金在大气中能自然形成碱式碳酸盐膜，但这种自然氧化膜不足以防止恶劣环境下的腐蚀，所以镁合金作为结构材料和壳体时，必须采取可靠的表面防护措施，提高镁合金的耐蚀性。
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现有的镁合金表面处理技术主要有[3]：化学转化处理；阳极氧化；金属镀层处理（电镀）；微弧氧化处理；激光处理；冷喷涂；等离子注入法等。
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1、阳极氧化
 阳极氧化是在相应的电解液和特定的工艺条件下，以镁合金为阳极，通过外加电流在镁合金表面上形成一层氧化膜的过程。
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2、化学转化
 表面化学转化技术是指通过化学手段使金属与某种特定的化学处理液相接触，从而在金属表面形成一层附着力好、能保护合金免受水和其他腐蚀介质的影响的膜层，或能提高有机涂膜的附着性和耐老化性，或能赋予表面其他性能的化合物膜层的技术。
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3、电镀
 电镀是在电场电流的作用下，溶液中的金属离子迁移到阴极表面发生还原成新相（镀层）的过程。是一种用电化学方法在镀件表面上沉积形成金属和合金镀层的工艺方法。
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4、微弧氧化技术
 微弧氧化技术是一种直接在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术。它是在阳极氧化的基础上发展起来的一种新的表面处理技术。
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化学转化处理、阳极氧化和金属镀层处理，对镁合金件的预处理要求都比较严格，表面必须是清洁无污染物，否则会影响镀层效果和镀层与基体间的结合力；尤其对于金属镀层处理，表面还需经过活化处理。因此，这三种工艺的前处理工序非常复杂。
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另外，传统的化学转化处理工艺中含有六价铬离子，具有毒性，污染环境，在生产中危害人类身体健康。因此，这种方法已经被淘汰；
 阳极氧化是在镁合金表面形成的氧化膜，它较化学转化膜厚，硬度高，膜层具有多孔特征，但膜层质脆而容易破裂，一般都是与其他表面处理的方法一起使用。
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镁合金微弧氧化处理是被认为最有前途的镁合金表面处理方法。微弧氧化处理与其它表面处理工艺相比具有以下优点：
 工序简单
 处理工件效率高
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处理成本不高于其它表面处理工艺
对环境无污染，符合当前清洁工业的发展要求等优点
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三、微弧氧化处理技术
1、概念 
 所谓微弧氧化就是将镁合金置于电解质溶液中，利用电化学方法在该材料的表面产生火花放电现象，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，生成陶瓷膜层的方法。
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图1 微弧氧化装置简图 [4]
2、微弧氧化机理
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不锈钢槽，接电源负极；
用压缩空气或螺旋桨进行搅拌，使整个电解液的浓度和
温度均匀；
用不锈钢或塑料板制成冷却水夹层，微弧氧化时不断通
冷水，这是由于该过程中要求的电解液的温度不要过高。
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微弧氧化机理
图2 微弧氧化机理示图
（a）
（b）
电解液中的金属阴离子在镁合金基体表面沉积。
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图2 微弧氧化机理示图
（c）
（d）
沉积的金属阴离子经电流产生的高温生成一层氧化物绝缘层（氧化膜）。
电极间电压超过某一临界值时，氧化膜某些薄弱部位被击穿，发生微区弧光放电现象。
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图2 微弧氧化机理示图
（e）
（f）
在膜内放电通道所形成的微区，电解液通过扩散作用进入微区。
微区温度很高（可达2000℃以上），再加上高电压，使的基体镁和电解液形成等离子体，发生等离子化学反应，而形成熔融状的物质。
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物质通过放电通道向外喷出，遇到冷的电解液后而冷却凝固，这一个放电就终止了。
上述过程同时也在其他部位发生。
图2 微弧氧化机理示图
（g）
（h）
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各个微区放电所产生的物质（主要是氧化镁）连接在一起而形成一层氧化膜层。
高温高压的作用有一小部分的等离子气体突破膜层向外逸出。
（i）
（j）
图2 微弧氧化机理示图
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所以膜层的表面是比较疏松的，而内部受到的影响较少，膜层内部比较致密。
因此，在膜层的表面留下许多气孔空隙，同时高温高压的环境造成膜层表面有一些缺陷。
图2 微弧氧化机理示图
（j）
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3、陶瓷膜的结构
 微弧氧化陶瓷膜有外向里依次是：
 疏松层，致密层，界面层（过渡层）
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图3 陶瓷膜层的表面形貌图和截面图[6]
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四、微弧氧化表面处理的工艺
微弧阳极氧化技术同其它表面处理的工艺基本相同。分为三道大的工序：前处理工序，微弧氧化工序，后处理工序[7]。
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1 前处理工序
 与其它镁合金表面处理技术相比较，微弧氧化前处理比较简单，包含除污与清洗两个工序。
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除污用碱溶液、电解、超声波等方法除去镁合金基体表面的油或脂以及表面可能粘附着尘埃、铁屑颗粒等杂物。
 清洗一般在除油处理后用清水对镁合金表面进行清洗，以冲洗掉残剩的污物，除掉表面不必要的成分，提高微弧氧化处理的质量。
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2 微弧氧化工序
 将经过前处理镁合金放入微弧氧化处理液中，接好阴极，打开设备的电源开始微弧氧化。
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这一道工序的关键是，在微弧氧化处理之前，依据微弧陶瓷层受各个参数影响的规律，通过做大量的实验和对实验数据的分析，经过不断的测试、调试、改进等大量严密的科学工作，最终得到一套微弧氧化技术的最佳参数。
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3 微弧氧化后处理工序
 由于微弧氧化陶瓷层表面分布着大量的微孔，为了进一步提高陶瓷层的耐蚀性，在微弧氧化后都要对镁合金表面进行封孔处理，封孔有利于提高微弧陶瓷层的耐蚀能力，同时也可以增加膜层的色泽，改善膜层的美观性。
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常用的封孔剂有去离子水、石蜡、丙稀酸、环氧树脂或酚醛清漆。去离子水封孔是将微弧阳极氧化后的镁合金置于沸水中煮大约10min；有机物封孔, 用丙酮将环氧树脂或酚醛清漆稀释，将微弧阳极氧化后的镁合金在有机溶液中反复浸渍多次，然后晾干。
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结束语：
镁合金微弧氧化技术作为一种新的表面处理技术，它的应用前景是非常广阔的。该技术的关键是根据微弧氧化工艺参数对微弧陶瓷层的生成及其耐蚀性影响的定性规律，确定最佳工艺参，这是国内外学者研究的重点。因此我们应该加强这方面的投入和研究。
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谢谢！
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