電火花加工對鎂合金表面形貌及其腐蝕性研究

劉瀟楓

摘要：本文采用電火花成型加工工藝對AZ31B鎂合金進行表面處理，通過掃描電鏡對低、中、高三種電火花能量加工后的工件進行表面形貌觀察，分析其形成原因，發(fā)現(xiàn)不同加工能量對AZ31B鎂合金表面形貌及重鑄層厚度有顯著影響;通過電化學測試分析了電流、電壓、脈間、脈寬等電火花加工參數對AZ31B鎂合金在PBS模擬體液中腐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)脈寬對AZ31B鎂合金耐腐蝕性有著顯著的影響，電壓在50V～82V區(qū)間內并未起到顯著影響。

關鍵詞：AZ31B鎂合金;電火花加工;表面形貌;腐蝕性

中圖分類號：TG166.4;TG174.3+6

電火花成型加工是利用工具和工件之間產生的脈沖性放電的點腐蝕現(xiàn)象來去除想加工的多余的金屬，以此到達加工者對這個加工零件的尺寸、形狀及表面質量等等的加工要求。

本文采用電火花成型加工工藝對醫(yī)用鎂合金進行表面改性處理。通過改變電流、電壓、脈寬、脈間四種參數來對AZ31B鎂合金進行表面蝕除0.5mm的加工，并研究了電火花成型加工后其表面形貌特征以及其對AZ31B鎂合金耐腐蝕性的影響，也為電火花對醫(yī)用鎂合金表面改性工藝提供一定的參考。

1 實驗材料與過程

實驗選取化學成分如表1所示的AZ31B軋制鎂合金板料。板料使用帶鋸機切割成10mm×10mm×10mm的立方體試樣，經過除銹、除油、水磨砂紙打磨等工藝操作后，進行電火花成型加工。電極材料選擇直徑為Φ20mm的紫銅電極，極間絕緣工作液介質使用電火花專用油（煤油）。

電火花加工后的試樣經丙酮超聲清洗后，使用環(huán)氧樹脂封面，只留下加工表面。采用德國Zahner電化學工作站進行電化學測試，通過測得塔菲爾曲線曲線，得到系統(tǒng)自動計算出的腐蝕速率。腐蝕介質PBS模擬體液，采用標準的三電極體系，即參比電極（飽和甘汞電極），對電極（鉑電極），研究電極（生物醫(yī)用鎂合金鎂合金試樣），腐蝕面積10mm×10mm，測定電位為-0.1～0.1V，掃描速率為2mv/s。

2實驗結果與分析

2.1試樣微觀形貌分析

AZ31B鎂合金電火花低能量加工后測得其表面粗糙度1.6941μm。和原始試樣相比較，低能量加工下，試樣表面出現(xiàn)大小不等的凹坑，有些許凸起，并伴隨出現(xiàn)細微裂紋，但并未觀察到明顯重鑄層。整體上來看，表面較為平整。形成這樣的原因在于：在低加工能量下，加工脈沖放電小，但是放電時的溫度極高，遠遠大于AZ31B鎂合金材料中鎂的熔點，所以試樣表面鎂基體很容易就被蝕除，而被加工試樣由于表面受到能量所施加力的加工以及少許材料的汽化拋出，所以表面出現(xiàn)較小的凹坑和些許凸起^[9];并且由于表面受到少量熱影響，因此出現(xiàn)了微小的裂紋。

2.2腐蝕結果分析

2.2.1脈寬對腐蝕速率的影響

在只改變脈寬，不改變其余三個參數時的腐蝕速率時，通過繪制腐蝕速率與脈寬的對應關系曲線圖，可知：隨著脈沖寬度的增大，工件在模擬體液中的腐蝕速率呈現(xiàn)先增大的趨勢，而當脈沖寬度為56?s時又急劇減小，隨后再次增大，最終呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢。造成這種現(xiàn)象的原因是：在脈寬較小的階段下，電火花加工能量較低，單次蝕除量較小，表面幾乎未生成重鑄改性層，反而因為有電蝕坑的生成而加快了其腐蝕速率;在18?s～56?s間，由于脈寬加大，其表面生成的重鑄改性層加厚，使得其腐蝕速率急劇下降;在56?s以后，由于脈寬更大，單次放電時間更長，鎂合金表面重鑄層受熱應力影響較大，裂紋加大加深，因此會加快縫蝕現(xiàn)象的產生，所以腐蝕速率又呈現(xiàn)上升的趨勢。由此，可以得出：脈寬對AZ31B鎂合金耐腐蝕性有著顯著的影響，且在18?s～56?s的區(qū)間內進行電火花成型加工較為合適，可以有效的提升AZ31B鎂合金的耐腐蝕性能。

2.2.2脈間對腐蝕速率的影響

在只改變脈間，不改變其余三個參數時的腐蝕速率，通過繪制腐蝕速率與脈間的對應關系曲線圖，可知：隨著脈沖間隔增大時，腐蝕速率呈現(xiàn)減小的趨勢，當脈沖間隔為13?s時在PBS模擬體液中的腐蝕速率達到谷值，隨后腐蝕速率出現(xiàn)增大的趨勢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：脈間越大，電火花蝕除物更容易排出，下一次放電效果更好，減少了一點連續(xù)放電或拉弧的情況，形成的改性重鑄層質量較好，因此腐蝕速率有所下降;在腐蝕速率達到谷值后，由于脈間過大，熔融金屬冷凝，重鑄層加厚，加工穩(wěn)定性降低^[13]，加工表面質量較差，粗糙度變大，因此腐蝕性呈現(xiàn)升高的趨勢。由此，可以得出：在脈間為1.3?s～13?s之間時，脈沖寬度的增加對AZ31B鎂合金耐腐蝕性有著促進作用。

2.2.3電流對腐蝕速率的影響

在只改變電流，不改變其余三個參數時的腐蝕速率，通過繪制腐蝕速率與電流的對應關系曲線圖，可知：隨著電火花成型加工中電流的增大，工件在PBS模擬體液中的腐蝕速率呈現(xiàn)先減小后增大又再次減小的趨勢，在2.4A～4A間，腐蝕速率降低較為顯著，而之后腐蝕速率的波動較為平緩，呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢。形成這種現(xiàn)象的原因在于：當電流在2.4A～4A時，電流的升高更利于擊穿極間絕緣介質形成穩(wěn)定的放電通道，脈沖能量增大，工具電極伺服進給速率與蝕除速率更加一致，加工穩(wěn)定性提升，加工表面的重鑄層質量較高，腐蝕速率有所降低;而電流繼續(xù)增大，帶電粒子動能增大，電蝕坑深度擴大，導致加工表面粗糙度加大^[13]，因此，腐蝕速率會有所提升。由此可知：當電流在2.4A～4A時，電火花加工后的AZ31B鎂合金耐蝕性明顯提升，而在4A～25.6A這一區(qū)間，電流對腐蝕速率影響較小。

2.2.4電壓對腐蝕速率的影響

在只改變電壓，不改變其余三個參數時的腐蝕速率，通過繪制腐蝕速率與脈寬的對應關系曲線圖，可知：隨著電火花成型加工中電壓參數值的增大，工件在PBS模擬體液中的腐蝕速率呈現(xiàn)先增大后減小隨后再次增大和減小的趨勢，但工件腐蝕速率的整體波動較為平緩。造成這種現(xiàn)象的原因是：電壓增大，脈沖能量也隨之增大，撞向工件的電子動能更大，撞擊金屬表面后轉化的熱能也更大，在表面形成的熔坑深度也變大，表面粗糙度面大，因此腐蝕速率呈現(xiàn)上升的趨勢;但是腐蝕速率波動平緩，說明了單電壓的變化在這一區(qū)間上并未對腐蝕速率起到顯著的影響。

3結論

本文采用電火花成型加工工藝對AZ31B鎂合金進行表面處理，通過掃描電鏡對低、中、高三種電火花能量加工后的工件進行表面形貌觀察，分析了其形成原因;再通過單因素實驗，分析了不同電火花加工參數對AZ31B鎂合金腐蝕性的影響，得出以下結論：

1）不同加工能量對AZ31B鎂合金表面形貌與重鑄層性能有著顯著影響。在文中所示低加工能量下的鎂基體表面重鑄層不明顯，受熱影響較少，電蝕坑、裂紋較少，整體表面較平整;中加工能量下，鎂合金表面電蝕坑增多增大，溝壑較多，表面較為粗糙，但是重鑄層明顯加厚;在高能量加工下，重鑄層非常明顯，表面冷凝后的金屬受拉產生裂紋較為明顯，且裂紋增大增多，局部出現(xiàn)較大凸起，表面粗糙度更大，測量跳動大。

2）脈寬對AZ31B鎂合金耐腐蝕性有著顯著的影響，且在18?s～56?s的區(qū)間內進行電火花成型加工較為合適，可以有效的提升AZ31B鎂合金的耐腐蝕性能;在脈間為1.3?s～13?s之間時，脈沖寬度的增加對AZ31B鎂合金耐腐蝕性有著促進作用;當電流在2.4A～4A時，電火花加工后的AZ31B鎂合金耐蝕性明顯提升，而在4A～25.6A這一區(qū)間，電流對腐蝕速率影響較小;單電壓的變化在50V～82V這一區(qū)間上并未對腐蝕速率起到顯著的影響。

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