镁合金汽车发动机上的腐蚀与防护

镁合金汽车发动机上的腐蚀与防护

班级06030143

姓名王力

学号 3 2

摘要：阐述了现代汽车为节能、环保而开始大量采用镁合金材料; 介绍了镁合金材料的性质特点, 采用镁合金材料制造的汽车部件; 并指出镁材料在汽车工业中的应用和发展前景。对镁合金的腐蚀行为、各种因素对镁合金腐蚀性能的影响进行了综述，并指出镁合金各种表面处理技术的优缺点及其未来发展方向。

关键词：轻量化合金材料发动机汽车镁合金表面防腐

1、前言

自人类进入21世纪以来,随着能源价格的不断上涨,以及可持续发展要求的提高,汽车燃料的经济性问题越来越引起人们的广泛关注。汽车燃料的经济性与汽车的设计、制造和使用有着密切关系，汽车材料的轻量化是改善燃料经济性的有效途径。

对汽车工业来说, 节约能源、减少汽车尾气排放的最有效办法就是减轻汽车自身的质量, 而减少汽车质量的主要途径是使汽车材料轻量化。汽车质量每减少10%,燃油消耗可以降低6% - 8%。要想减轻汽车自重, 就必须采用轻质材料。镁合金材料是自古以来实际应用中最轻的金属结构材料, 是所有现用金属材料中密度最低的轻金属材料,因而成为汽车减轻自重以提高其节能性和环保性的首选材料。另外, 镁合金材料还具有比强度和比刚度均高、导热导电性能好、阻尼减震性和电磁屏蔽性强、易加工成形、废料易回收等特点。由于镁合金材料的众多优点,其应用适应了全世界对汽车安全、节能和环保要求越来越高的趋势, 受到了各国政府和发达国家汽车制造企业的高度重视。

2、镁合金在汽车发动机上应用的原因

镁合金是最轻的金属结构材料, 其密度为1.75g/cm3～1.90g/ cm3，比铝合金约轻36% , 比锌合金约轻73% , 比钢约轻77%。镁合金的强度和弹性模量较低, 但它有高的比强度和比刚度, 在相同重量的构件中, 选用镁合金可使构件获得更高的刚度。镁合金有很高的阻尼容量和良好的消震性能, 它可承受较大的冲击震动负荷, 适用于制造承受冲击载荷和振动的零部件。镁合金具有优良的切削加工性和抛光性能, 在热态下易于加工成型。

镁合金的熔点比铝合金低, 压铸成型性能好。镁合金铸件的抗拉强度与铝合金铸件相当,

一般可达250MPa , 最高可达600 多MPa 。屈服强度、延伸率与铝合金相比也相差不大。镁合金还具有良好的耐腐蚀性能、电磁屏蔽性能、防辐射性能, 可进行高精度机械加工。镁合金具有良好的压铸成型性能, 压铸件比厚最小可达0.5mm ,适合制造汽车各类压铸件。

镁合金汽车发动机带给汽车的好处是显而易见的。一是它的质量轻, 换用镁合金能减轻整车重量,也就间接减少了燃油消耗量。二是它的比强度高于铝合金和钢, 比刚度接近铝合金和钢, 能够承受一定的负荷。三是它具有良好的铸造性和尺寸稳定性, 客易加工, 废品率低, 从而降低生产成本。四是它具有良好的阻尼系数, 减振量大于铝合金和铸铁, 用于壳体可以降低噪声, 用于座椅、轮圈可以减少振动, 提高汽车的安全性和舒适性。

镁铝合金发动机之所以成功的另一个关键因素是，先进的“电子阀（Valvetronic）”系统,用可变进气阀门取代了传统的发动机油门。发动机的“呼吸”是通过不断改变电子管的升降高度以调节进气量来控制，以得到更好的动力响应和绩效改进，实现改善性能，节省燃料12% 以及减少废气排放的目标。

3、镁合金汽车发动机所处环境分析

3.1、汽车外部用镁合金部件的抗腐蚀条件。

汽车外部用镁合金部件主要担心的是电蚀问题, 特别是排气罩周围的部件, 因为镁合金活性极强,在设计时要考虑把电蚀降到最小, 还必须考虑部件几何形状的设计, 对紧固件的选择和采用涂层来克服电蚀问题。

汽车部件的几何形状设计要考虑避免水、污物的堆积。另外, 电蚀还和金属间的互相接触有关, 镁对铁合金特别敏感,所以钢紧固件必须涂层, 但镀锌是不能接受的。合适的绝缘垫可以采用,电蚀会随着绝缘垫厚度的增加而减少, 但是涂层的划伤和孔隙会加速电蚀过程。

3.2、汽车动力系用抗蠕变镁合金的分析。

目前, 在工业上使用的镁合金仅限于在室温条件下,当暴露在发动机工作温度下时, 机械性能变劣, 因此在汽车的动力系中不能使用, 某些含稀土元素的镁合金可以耐150℃的高温,但材料成本又太高。但是，在镁中加入铝和碱稀土元素可以产生晶界AL11E3析出, 其在温度增加时可以具有抗蠕变性能, 而在镁合金中添加铝和钙,还含有最少量的硅和银,这样新的镁合金的性能大有改进, 抗拉伸蠕变性能提高40%, 压缩蠕变性能提高25%。

3.3、汽车动力系用耐热镁合金的分析。

汽车发动机还长期处于高温高热环境中，所以使用铝-镁-锶合金, 该合金具有耐高温性

能。合金含锶2.1%,加入锰以提高合金抗腐蚀性能,在温度提高到150℃时, 镁铝锶合金具有优越的机械和物理性能, 抗蠕变性能的镁合金相当于用汽车动力系A380的压铸铝合金。对于新镁合金来说, 在温度升高时, 疲劳极限的降低与最终抗拉强度成正比, 新合金的疲劳极限可以和AM60B镁压铸合金相比。这种新镁合金可以用于汽车自动变速箱外壳、曲轴箱、油泵泵体、发动机滑轮、汽缸外壳、发动机冷却风机外壳。

4、镁合金汽车发动机的表面处理和设计

4.1、大气腐蚀

镁在大气中腐蚀的阴极过程是氧的去极化,其耐蚀性主要取决于大气的湿度及污染程度。一般地,潮湿的环境对镁合金的腐蚀,只有当同时存在腐蚀性颗粒的附着时才发生作用。如果大气清洁,即使湿度达到100 % ,镁合金表面只有一些分散的腐蚀点。但是当大气污浊,有腐蚀性颗粒在镁合金表面构成阴极时,表面则迅速生成灰色的腐蚀产物。大气中含有硫化物和氯化物将加速镁的腐蚀,大气中SO

2

含量达100 mg/ m3时,腐蚀速率增加,生成可溶性的硫酸盐,因此镁在工业大气和海洋大气中是不耐蚀的。在干燥的清洁空气中,由于表面膜的保护作用而基本稳定。

4.2、在各种介质中的腐蚀

镁及其合金在大多数有机酸、无机酸和中性介质中均不耐腐蚀,甚至在蒸馏水中,去除了表面膜的镁合金也会因为发生腐蚀而析氢。但在铬酸中由于镁表面

钝化而较为稳定。在含有Cl-及SO

42-的溶液中腐蚀速率较大,而在含有SiO 2

3

-、

CrO

42 -、Cr

2

O

4

2-、PO

4

3-、F-等离子的溶液中,由于可能形成保护性的表面膜而

腐蚀速率较小。镁在碱中耐蚀性好,由于Mg(OH)

2

沉淀膜的存在,对基体具有很好的保护作用。

4.3、电偶腐蚀与全面腐蚀

镁合金由于电极电位较绝大多数金属低,当镁及其合金与其它金属接触时,一般作为阳极发生电偶腐蚀。阴极可以是与镁直接有外部接触的异种金属,也可以是镁合金内部的第二相或杂质相。对于氢过电位较低的金属如Fe、Ni 、Cu 等,作为杂质在合金内部与镁构成腐蚀微电池,导致镁合金发生严重的电偶腐蚀。而那些具有较高氢过电位的金属,如Al 、Zn、Cd 等,对镁合金的腐蚀作用相对较小。镁合金基体与内部第二相形成的电偶腐蚀在宏观上表现为全面腐蚀。Hiroyuki 等研究了AZ91D 合金在大气条件下与异种金属的接触腐蚀行为,发现中碳钢和SUS304 不锈钢与镁接触加速其电偶腐蚀,而经阳极氧化的铝合金则降低镁合金的腐蚀效应。

4.4、应力腐蚀破裂与氢脆

Mg-Mn 合金和Mg-Zn-Zr 合金对应力腐蚀破裂(SCC) 不敏感。而Mg-Al-Zn 合金具有应力腐蚀开裂的倾向。镁的SCC 主要有穿晶型的,也有间型的。Mg-Al-Zn

合金沿晶界生成Mg

17Al

12

沉淀,其SCC 是晶间型的,并且由于MgH

2

的形成而导致

氢脆。

在pH 值大于10.2的碱性介质中,镁合金非常耐SCC。而在含有Cl - 的中性溶液中甚至在蒸馏水中,镁合金对SCC 极其敏感。而镁合金在氟化物和含氟的溶液中耐SCC。