镁合金SiO_2基纳米陶瓷涂层的性能.pdf

第6 2 卷第1 期 2010 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u 8M e t a l s V 0 1 ．6 2 ，N o ．I F e b r u a r y ．2010 镁合金S i 0 2 基纳米陶瓷涂层的性能 李晓，马壮，时海芳，李智超 辽宁工程技术大学材料学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘 要采用热化学反应法在M B 2 镁合金上制备了S i O 基纳米陶瓷涂层，从组成成分、抗热震性、耐磨和耐蚀性能等方面 测试涂层性能。结果表明，涂层中有新相生成，涂层与基体结合强度较高，耐磨和耐腐蚀性能优良。 关键词金属材料；M B 2 镁合金；纳米陶瓷涂层；热化学反应 中图分类号T G l 4 6 ．2 2 ；T G l 7 4 ．4 4文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 1 0 0 2 7 0 3 镁合金具有优越的物理和机械性能、导热性好、 热稳定性高、且具有良好的可回收性。然而，镁合金 在具有诸多优异性能的同时，也存在固有的不足，尤 其是耐蚀和耐磨性能较差，而陶瓷材料大多具有高 熔点、高硬度、高化学稳定性等特点。所以使得镁合 金表面陶瓷化技术近年来倍受人们关注，目前用于 制备镁合金陶瓷涂层的方法有热喷涂、激光熔覆、热 化学反应法、溶胶凝胶等⋯。热化学反应法是近年 来发展起来的陶瓷涂层的一种新颖制造方法。这一 方法采用水基粘结剂，混以陶瓷细粉，搅拌成悬浮态 料浆，涂在经过净化活化的金属表面上，阴干，烘干， 固化处理而成。它克服了金属与陶瓷间存在的不润 湿、不粘附的缺点，可获得很高界面结合强度旧o 。 采用热化学反应法在镁合金上制备S i O ，基陶 瓷涂层，将陶瓷骨料中一部分微米S i O 替换成纳米 S i O ，使陶瓷涂层中产生更多新相，进一步提高涂层 性能，从而拓宽镁合金的应用范围。 1 实验方法 1 ．1 试验材料及涂层制备 试验基材选用M B 2 镁合金，以磷酸氢铝作为胶 粘剂。陶瓷骨料为烧灼过的S i O ，A I O ，，M g O 以及 钠长石粉末，粒度均为4 7 1 上m ，纳米S i O 颗粒尺寸小 于5 0 h m 。 由于镁合金较为活泼，直接在其上涂覆陶瓷涂 层极易发生反应，因此制备陶瓷涂层之前，除常规的 收稿日期2 0 0 7 1 0 2 2 基金项目辽宁省自然科学基金资助项目 2 0 0 6 2 2 0 3 作者简介李晓 1 9 8 2 一 ，女，辽宁鞍山市人。硕士，主要从事金 属基复合材料等方面的研究。 l O O O O 8 0 0 0 毫6 0 0 0 馘 寝4 0 0 0 1 鼍 魁 意 2 X 0 0 △IA VWI 一．。．麟撒。。k ．L | uJ ． 1 02 0 捌J4 0 5 0“’ 7 0 2 ．0 ／ 。 1 02 03 0帅N 6 07 0 2 0 ／ o a 一微米涂层； b 一纳米涂层 图1 涂层x 射线衍射图谱 F i g ．1X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n so fc o a t i n g 净化处理之外，在镁合金表面制备了一层均匀致密 的化学转化膜∞] ，减缓甚至阻止陶瓷骨料与镁合金 基体发生的强烈反应。按照质量百分比将陶瓷骨料 中的4 0 ％微米S i O 替换成纳米级S i O ，陶瓷骨料与 磷酸氢铝胶粘剂按照一定比例混合，均匀的涂敷在 制有转化膜的镁合金表面，室温阴干2 4 h ，固化温度 为4 0 0 ℃，待室温后取出。 1 ．2 涂层的性能测试 用热震法测定涂层与基体的结合强度，该热震 万方数据 有色金属第6 2 卷 将试样升温至4 0 0 ℃，每隔1 0 m i n 取出水冷，如此循 环直至涂层开始剥落。黏着磨损在M 一2 0 0 磨损试 验机上进行，外加载荷为3 0 0 N ，磨损时间为5 m i n ， 转速为1 8 0 r ／m i n ，对磨材料为高速钢。采用3 ．5 ％ 的N a C l 溶液以及5 ％的C H ，C O O H 溶液，分别对涂 层进行浸泡试验，检测其耐蚀性能。x 射线相分析 采用D t m a x ．r B 旋转阳极x 射线衍射仪。 2 试验结果与讨论 2 ．1 涂层的相组成 图1 为x 射线衍射相分析结果。图1 表明，经 过4 0 0 0 C 固化处理的微米涂层，由原始相S i O ，， A 1 2 0 3 ，N a 0 等组成，涂层生成新相M g M n S i O 。。陶 瓷骨料粒子同高锰酸系转化膜以及基体发生了反 应。经过4 0 0 0 C 固化处理的纳米涂层中的相，生成 了新相N a A I S i O 。和A 1 S i O ，，这说明由于纳米的 S i O 的表面活性促进相的形成1 。由此可见，在活 性较大的镁合金基体上涂覆选用的陶瓷骨料，在 4 0 0 t 2 固化时发生了相应的化学反应，达到了制备热 化学反应陶瓷涂层的目的。涂层的抗热震性能如表 1 所示。 表1 热震试验结果 T a b l elR e s u l to ft h e r m a ls h o c k 从表1 可以看出，经过4 0 0 ℃处理的纳米涂层， 由于生成了微米涂层所不具有的新相，使得涂层与 基体结合强度较高，涂层具有较好的抗热震性能。 2 ．2 涂层耐蚀性 表2 和表3 列出了基体与微米陶瓷涂层和纳米 陶瓷涂层在3 ．5 ％的N a C I 溶液以及5 ％的 C H ，C O O H 溶液中的浸泡试验结果。 表2 耐盐性试验结果 T a b l e2R e s u l to fs a l i n et o l e r a n c et e s t s 从表2 可以看出，纳米涂层的试样与基体相比 表现出了良好的耐腐蚀性能，经盐腐蚀2 4 h 后，其平 均腐蚀速率为0 ．5 3 0 1 9 ／m 2h 。这也说明涂层与基 底金属的结合力牢固，涂层的致密性好，能够有效地 阻挡腐蚀介质对基底金属的侵蚀，腐蚀后的试样表 面基本上无变化。 表3 耐酸性试验结果 T a b l e3R e s u l to fa c i df a s t n e s st e s t a 试样1 蔫盟裟％ 平均腐蚀速本矿 g m ～h ～1 0 2 从表3 可见，镁合金基体与醋酸发生剧烈反应， 基体试样的平均腐蚀速率达到了9 ．0 4 4 1 1 0 2 9 ／m 2 h ，微米涂层的试样平均腐蚀速率为6 ．2 0 8 3 1 0 2 9 ／m 2h ，相对与基体来说已经有了一定程度的 提高，但与盐浸泡相比造成了较为严重的腐蚀，浸泡 3 0 m i n 后，涂层已有脱落现象，部分地区出现了点蚀 坑。而纳米涂层的试样，其耐酸性相对于基体以及 微米涂层均有显著提高，平均腐蚀速率为5 ．3 3 8 2 1 0 2 9 ／n 1 2h ，耐酸性提高了1 6 9 ％。 2 ．3 涂层耐磨性 由表4 可以看出，在黏着磨损试验中，镁合金基 体的磨损量达到了0 ．0 0 8 1 9 ，微米陶瓷涂层的试样 磨损量为0 ．0 0 7 4 9 ，相对耐磨性仅提高了9 ％。而具 有4 0 ％纳米S i O 的陶瓷涂层，磨损量仅为0 ．0 0 3 0 g ／n 1 2 ，相对磨损量提高了1 7 0 ％。由此可见，加入适 量的纳米S i O 对提高涂层的耐磨性，有一定程度的 影响。 表4 黏着磨损试验结果 T a b4R e s u l to fa d h e s i o na b r a s i o nt e s t s 3结论 用S i O ，A I O ，，M g O 和钠长石粉与磷酸氢铝胶 粘剂制备的料浆施于M B 2 镁合金基体表面，采用热 化学反应法，可以在镁合金表面形成S i O 基陶瓷涂 层。在4 0 0 。C 固化时发生了相应的化学反应，有新 相的生成，达到了制备热化学反应陶瓷涂层的目的。 添加适量纳米S i O 后的陶瓷涂层，耐蚀性有显著的 提高，耐磨性相对基体提高了1 7 0 ％。 万方数据 第1 期 李晓等镁合金S i O 基纳米陶瓷涂层的性能2 9 参考文献 [ 1 ] 卢屹东，亢世江，丁敏．金属表面陶瓷涂层的技术特点及应用[ J ] ．焊接技术，2 0 0 5 ，3 4 2 7 9 ． 【2 ] 穆柏春，张丽娟，谷志刚．耐热防腐蚀复相陶瓷涂层的研究[ J ] ．材料保护，1 9 9 7 ，6 3 0 2 4 2 5 ． [ 3 ] 金华兰，韩丽华．镁及其合金表面化学改性技术[ J ] ．轻合金加工技术，2 0 0 5 。 1 2 2 9 3 3 ． [ 4 ] Y a nD i a n r a n ．T h ec o r r o s i o nb e h a v i o ro fp l a s m as p r a yA 1 2 0 3c e r a m i c sc o a t i n gi nd i l u t eH C Is o l u t i o n [ J ] ．S u r f a c ea n dc o a t i n g s t e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，8 9 1 9 1 1 9 5 ． P r o p e r t i e so fN a n o - s i l i c aC o a t i n go nM a g n e s i u mA l l o y L ／X i a o ，M AZ h u a n g ，S i l lH a i - f a n g ，1 2Z h i ．c h a o C o l l e g eo f 肘口把r 矧，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x m12 3 0 0 0 ，L i a o n i n ，C h i n a A b s t r a c t T h eS i 0 2n a n o c e r a m i cc o a t i n go nM B 2m a g n e s i u ma l l o ys u r f a c ei s p r e p a r e db yt h e r m o - c h e m i c a lr e a c t i o n p r o c e s s ．T h ec o a t i n gp e r f o r m a n c e ss u c ha sc o m p o s i t i o n ，t h e r m a ls h o c kr e s i s t a n c e ，w e a rr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o n r e s i s t a n c ea r ed e t e r m i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei st h en e wg e n e r a t i o ni nt h ec o a t i n g ，a n ds u b s t r a t es t r e n g t hi s h i g h ，a n dw e a rr e s i s t a n c ea n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea r ee x c e l l e n t ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；M B 2m a g n e s i u ma l l o y ；n a n o - c e r a m i cc o a t i n g ；t h e r m o c h e m i c a lr e a c t i o n 万方数据