鎂合金件合理的結構設計
根據鎂合金的腐蝕特征
鎂及鎂合金的腐蝕類型有全面腐蝕、電偶腐蝕、高溫氧化、點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞等。其中，電偶腐蝕、應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞是鎂合金應用中常見的和危害較大的腐蝕類型
由于鎂合金中通常含有較多的電極電位較高的組元如重金屬等(特別是Fe、Cu、Ni)，以及鎂及其合金在實際應用中經常與其他高電位金屬(如鋼等)接觸，從而很容易發生電偶腐蝕，因此電偶腐蝕是鎂合金腐蝕的基本類型。人們常常忽視鎂合金組合件的電偶腐蝕，從而出現災難性后果，這已成為鎂合金結構應用的障礙。通常，鎂基體中與陰極相鄰的局部區域都會產生嚴重的腐蝕，陰極可能是外部與鎂合金相接觸的其他金屬，也可能是鎂合金內的第二相或雜質。在鹽水環境中，通過嚴格控制雜質含量如Fe、Ni、Cu及Fe-Mn可以減輕內部腐蝕，提高鎂合金耐蝕性。鎂與不同金屬形成電偶是電化學腐蝕電動勢的主要外部來源
電偶腐蝕包括陰極、陽極、電解質和導體四個基本環節。其中任何一個環節消失，電偶腐蝕就會停止。因此，可按下表所列措施與方法進行鎂合金件的結構設計
設計程序與方法
程序
措施
方法
雙金屬接頭材料擇優順序
消除密封的污損區域，盡量避免濕氣與金屬直接接觸
①選擇與鎂電化學相容的異種金屬，或在鎂上鍍一層與鎂電化學相容的金屬
②采用適當的表面處理對鎂和異種金屬進行保護
③異種金屬加絕緣的墊圈或填充填料，避免出現封閉電路
④在密封化合物或底漆中加入鉻酸鹽，抑制微電池作用
仔細注意結構細節，設計出完整工件，設計合適的排水孔，最小孔徑為3.2mm，防止堵塞
順序
鎂-鋁
1
2
3
4
5056鋁合金(線材和鉚釘)
5052鋁合金(壓延板材)
6061鋁合金(擠壓材和壓延板材)
6053鋁合金(擠壓材和鉚釘)
選擇吸附性差、無芯的材料作為與鎂接觸的材料
測量所用材料的含水量
采用環氧樹脂、塑料帶和薄膜，用蠟和橡膠保護
盡可能避免使用木頭、紙張、紙板、多孔泡沫和海綿狀橡皮
保護所有的搭接面
所有的搭接面都采用合適的密封材料，使用底漆
加長連續流體路徑以減小電偶腐蝕電流
順序
鎂-鋼
采用兼容金屬
大多數5000和6000系列鋁合金與鎂兼容，鎂鐵連接中有鋅鋼板、80%Sn-20%Zn、錫或鎘
雙金屬接頭材料擇優順序見右欄
1
2
3
4
鍍鋅
鍍80%錫-20%鋅
鍍錫
鍍鎘
選擇合適的精整方法
根據要求選擇化學處理、涂層和電鍍，并在安裝運行前進行檢測
設計注意事項
改進前的設計
改進后的設計
設
計
示
例
鎂合金與鎂合金連接
在許多實際使用情況下，鎂合金之間的連接，由于同牌號鎂合金的成分幾乎保持不變，它們之間的電化學腐蝕是非常輕微的。但是，在結合處可能會出現縫隙，聚集腐蝕介質，使鎂與鎂合金之間產生縫隙腐蝕。因此，在裝配時，需要采取一些有效的預防措施：一是在鎂合金零件表面采用鉻酸鹽顏料涂層，或者采用在連接處用封口膠的“濕裝配”技術，阻礙水由毛細管作用而進入鎂合金表面；二是正確地設計接觸面和配套面，如螺栓連接時，螺栓的曲度有助于減少連接的腐蝕問題。另一種保護方式是，在構件組裝前涂覆底漆，組裝后再涂一層漆。鎂與鎂裝配時的正確方法如圖a所示。鎂螺栓連接裝配件也可以采用此方法
鎂合金構件與非金屬材料連接
鎂構件與非金屬的組合，雖然連接的大多數非金屬材料，如塑料和陶瓷，對鎂構件都不會產生電化學腐蝕，但是，鎂構件與木材連接時，由于木材有吸水性，木材吸水后內部的天然酸被浸析出來，使鎂合金構件長期與酸接觸，引起鎂構件腐蝕。因此，與鎂合金構件接觸的木材必須采用油漆或清漆封閉，以防止吸水；并且，在接觸面還必須采用鎂與鎂裝配時所用的保護措施，如鎂零件表面采用鉻酸鹽顏料涂層。與鎂合金構件連接的碳纖維增強塑料和鎂構件與木材的裝配一樣，在一般的電解液中，鎂表面易發生電化學腐蝕，如果不加保護將導致鎂的腐蝕。鎂合金構件與木材或異種金屬連接時正確的保護方法如圖b所示
鎂合金構件與異種金屬連接
鎂與異種金屬裝配時，接觸金屬之間的電位差和工作環境是引起鎂腐蝕的主要因素。阻止或減少鎂與異種金屬之間的接觸腐蝕，可以采用以下幾種方法
采用與鎂相容的異種金屬
鎂與異種金屬接觸時，材料的電化學相容性尤為重要，異種金屬與鎂合金的電化學相容性好，可以明顯減少構件的電化學腐蝕。高純度的鋁(99.99%)與鎂有很好的電化學相容性，但在工業鋁合金中，常有鐵、銅的存在，會嚴重破壞這種相容性；此外，在高pH值的水溶液中，鋁與鎂的接觸，會導致鋁的腐蝕。常用的與鎂相容的異種金屬有：鋁合金體系(5052、6053、6061、6063)、鋅和鋅合金體系。這些合金體系可用來制作墊片、襯墊、緊固件和構件。當鎂與其他金屬，如不銹鋼、鈦、銅連接時，必須對其他金屬進行表面處理，采取防護措施。與鎂連接的金屬材料，一般遵循下列優選原則
鎂合金與鋁裝配：5056、6061、5052、6053；鎂合金與鋼裝配：鍍鋅鋼、鍍鋅-錫(80%Sn-20%Zn)合金鋼、鍍錫鋼
鎂合金與其他金屬的裝配：在腐蝕條件下鎂都會發生腐蝕，因此都必須采取防護措施。鎂合金與異種金屬鉚接的正確方法如圖a、圖b所示
隔開異種金屬
隔開異種金屬，避免腐蝕介質構成回路。通常在異種金屬之間使用絕緣的墊圈、填料或防潮膜，使鎂與異種金屬(如鋁或鋼)分開。如采用厚度為0.08mm的乙烯樹脂膠帶或不吸水的橡膠膠帶，或者在密封化合物和底漆中加入鉻酸鹽，避免電解液環境，以抑制電偶腐蝕，如圖c所示
表面避免積水
為保證鎂零件有良好的腐蝕防護性，裝配件連接處合理的設計是非常必要的。首先應盡量避免鎂構件表面產生可能聚集水滴的結構，并且考慮排水。為避免縫隙的毛細管作用而吸水，應盡量避免在零件上形成窄的縫隙、缺口或凹槽。此外，在零件上應避免形成尖角以避免材料處于高應力狀態。圖d和圖e分別為鎂合金零件結構設計時應注意的問題
填充縫隙，如圖f所示，能有效降低電偶腐蝕
鹽霧腐蝕環境中異種金屬-AZ91D壓鑄合金裝配時的電偶腐蝕情況
電偶腐蝕程度
金屬
輕微
高純鋁(10×10-6Fe)、5056鋁合金、5052鋁合金、6061鋁合金、6063鋁合金
中等
鍍鋅+鉻酸鹽+硅酸鹽①
鍍80%Sn-20%Zn+鉻酸鹽①
嚴重
50%Sn-50%Pb、鍍錫①②、鍍鎘①②、鍍鋅①②、鉛、黃銅、鈦
非常嚴重
碳鋼、不銹鋼、鎳、鋅粉/無機膠黏劑/密封劑①、380鑄鋁
鋁粉/無機黏結劑/密封劑①、離子束沉積1100鋁(1000×10-6Fe)①
①鋼緊固件上有薄膜
②鉻酸鹽將提高鍍層的相容性
對鎂合金和異種金屬同時采取保護措施
鎂合金與異種金屬接觸時，用適當的表面處理保護鎂和異種金屬。通常對異種金屬和鎂都覆蓋一層完整的膜，如圖g中的1，可以避免發生電偶腐蝕。但是，如果鎂的防護膜破裂，則形成小陽極面積的鎂與大陰極面積的異種金屬原電池，鎂的腐蝕速度顯著增加，使鎂發生嚴重的電化學腐蝕，如圖g中的2。一般情況下，應盡可能避免這種現象出現。同時，在使用防潮膜時，任何情況下，采用的保護膜必須是抗堿腐蝕的，這樣，才能避免因腐蝕而形成強堿性的氫氧化鎂所引起膜的破裂。陰極與陽極的面積比對鎂合金腐蝕速率的影響見右表
鎂合金AZ31B-H24與工業純鈦連接的
面積比對腐蝕速率的影響
環境氣氛
與暴露時間/d
腐蝕速率/g·m-2·d-1
未配對
AZ31B-H24
陰極與陽極的面積比為1∶6
陰極與陽極的面積比為6∶1
潮濕環境
3
17.4
26.5
88.7
358
0.106
0.171
0.372
715
0.095
0.156
0.235
1087
0.082
0.125
0.207
2563
0.077
0.115
0.204
平均腐蝕速率
0.090
0.142
0.255
城市
環境
368
0.096
0.120
0.148
722
0.101
0.120
0.173
1087
0.096
0.120
0.161
2575
0.078
0.099
0.130
平均腐蝕速率
0.093
0.112
0.153
緊固件的選擇
鎂合金不宜用作緊固件，而絕大多數鎂合金裝配件需要用鉚釘、螺釘、螺母這類緊固件，因此螺栓組合的設計、緊固件材料的選擇對鎂在鹽水中的應用是非常重要的。一般情況下，非金屬材料能完全避免鎂合金的電化學腐蝕，可以用作鎂合金部件的緊固件和絕緣的墊圈。純鋁幾乎能與所有的鎂合金相容，含鎂、錳、硅的鋁合金與鎂合金相容性較好，可以用來制作鎂合金部件的緊固件，如5×××系鋁合金的5056合金鉚釘、5052合金墊圈以及6×××系的6061和6053合金鉚釘。但鋁鉚釘在使用前需進行化學處理或陽極氧化處理
對于鍍鉻鋼螺栓，一般采用5052鋁合金墊圈。對于鋼鉚釘、銅鉚釘、鋼、鎳、鋁(除5056、6053或6061鋁合金以外)或黃銅螺釘與螺栓，在鎂合金裝配件中使用時，由于其與鎂不相容，不能裸露使用，而必須對這些部件先進行鍍錫、鋅或錫-鉛合金，然后再進行化學處理才能使用
對于緊固件與鑲嵌件的隔離，可采用特殊的有機涂層，如烘干的乙烯塑料溶膠、環氧樹脂和耐高溫的氟化烴類樹脂涂層
用于鎂合金工件的兩種擰入式墊圈、尼龍墊圈應用
螺紋墊圈可以壓入或熱裝到鎂合金工件上，但擰入式墊圈應用得較多。為了使螺紋孔與墊圈配合更好，可采用一次攻螺紋后再精攻
擰入式墊圈有兩種類型，如圖h、圖i所示。其中一種為管狀，螺紋在其外表面，它被擰入到工件的螺紋孔中，這種墊圈可以起到軸承和軸瓦的作用，見圖h。螺紋也可攻在里面，從而與螺桿、螺栓或其他螺紋緊固件連接。大螺距可以有效地增加強度，BWS倒角螺紋或類似系列的螺紋可以減小根部應力集中。墊圈與螺栓或螺桿的強度應保證在扭曲過程中后者先失效，而不是墊圈內部的螺紋先剝落。另一種類型是由彈簧線圈精確螺旋而成的螺紋襯套，它用于攻螺紋孔與螺栓、螺釘或螺桿的配合，螺紋與美國標準系列類似，見圖i。采用熱處理鋼質螺栓時，墊圈塞入深度為螺栓直徑的2.5倍效果最好。對于盲孔，墊圈厚度應為緊固件直徑的3倍
壓入式或熱裝式墊圈的室溫過盈不能大于墊圈緊固的極限。應變為0.1%時產生的殘余應力很小，一般情況下不會發生問題，其中0.03%的應變已成功應用于生產。同時，應變為0.3%的過盈配合也已得到了應用，但此時產生的殘余應力較大，可能導致應力腐蝕開裂，增大鎂合金的疲勞破壞傾向。另外，鎂合金的熱膨脹系數一般比墊圈金屬的大，所以在高溫下裝配可以增加室溫過盈，從而使之在高溫下保持足夠的緊固力
鎂合金板閃光鉚接接頭設計形式
閃光鉚接可以用于鎂合金的連接，其接頭設計形式如圖k所示。機械沉頭孔孔深至少為1.3mm，底部圓柱形臺階的最小高度為0.38mm，以保證與鉚釘尺寸匹配
厚1.3mm左右的材料可以采用上連接板攻螺紋的閃光鉚接，螺紋孔和鉚釘坡口標準張角為100°。攻螺紋前，應先沖好或鉆好鉚釘孔，且孔徑應略小于鉚釘直徑；攻螺紋時，擴孔到標準尺寸。倒角圓孔將會減小邊緣應力集中和接頭疲勞破壞。攻螺紋必須在熱態下進行，使板局部加熱，其范圍剛好達到攻螺紋尺寸。如果板材處于H24狀態，加熱時間應有所限制，以避免局部淬火。例如，AZ31B-H24板材在423K溫度下加熱5s不會發生淬火效應
