电火花加工对镁合金表面形貌及其腐蚀性研究

刘潇枫

摘要：本文采用电火花成型加工工艺对AZ31B镁合金进行表面处理，通过扫描电镜对低、中、高三种电火花能量加工后的工件进行表面形貌观察，分析其形成原因，发现不同加工能量对AZ31B镁合金表面形貌及重铸层厚度有显著影响;通过电化学测试分析了电流、电压、脉间、脉宽等电火花加工参数对AZ31B镁合金在PBS模拟体液中腐蚀性的影响，发现脉宽对AZ31B镁合金耐腐蚀性有着显著的影响，电压在50V～82V区间内并未起到显著影响。

关键词：AZ31B镁合金;电火花加工;表面形貌;腐蚀性

中图分类号：TG166.4;TG174.3+6

电火花成型加工是利用工具和工件之间产生的脉冲性放电的点腐蚀现象来去除想加工的多余的金属，以此到达加工者对这个加工零件的尺寸、形状及表面质量等等的加工要求。

本文采用电火花成型加工工艺对医用镁合金进行表面改性处理。通过改变电流、电压、脉宽、脉间四种参数来对AZ31B镁合金进行表面蚀除0.5mm的加工，并研究了电火花成型加工后其表面形貌特征以及其对AZ31B镁合金耐腐蚀性的影响，也为电火花对医用镁合金表面改性工艺提供一定的参考。

1 实验材料与过程

实验选取化学成分如表1所示的AZ31B轧制镁合金板料。板料使用带锯机切割成10mm×10mm×10mm的立方体试样，经过除锈、除油、水磨砂纸打磨等工艺操作后，进行电火花成型加工。电极材料选择直径为Φ20mm的紫铜电极，极间绝缘工作液介质使用电火花专用油（煤油）。

电火花加工后的试样经丙酮超声清洗后，使用环氧树脂封面，只留下加工表面。采用德国Zahner电化学工作站进行电化学测试，通过测得塔菲尔曲线曲线，得到系统自动计算出的腐蚀速率。腐蚀介质PBS模拟体液，采用标准的三电极体系，即参比电极（饱和甘汞电极），对电极（铂电极），研究电极（生物医用镁合金镁合金试样），腐蚀面积10mm×10mm，测定电位为-0.1～0.1V，扫描速率为2mv/s。

2实验结果与分析

2.1试样微观形貌分析

AZ31B镁合金电火花低能量加工后测得其表面粗糙度1.6941μm。和原始试样相比较，低能量加工下，试样表面出现大小不等的凹坑，有些许凸起，并伴随出现细微裂纹，但并未观察到明显重铸层。整体上来看，表面较为平整。形成这样的原因在于：在低加工能量下，加工脉冲放电小，但是放电时的温度极高，远远大于AZ31B镁合金材料中镁的熔点，所以试样表面镁基体很容易就被蚀除，而被加工试样由于表面受到能量所施加力的加工以及少许材料的汽化抛出，所以表面出现较小的凹坑和些许凸起^[9];并且由于表面受到少量热影响，因此出现了微小的裂纹。

2.2腐蚀结果分析

2.2.1脉宽对腐蚀速率的影响

在只改变脉宽，不改变其余三个参数时的腐蚀速率时，通过绘制腐蚀速率与脉宽的对应关系曲线图，可知：随着脉冲宽度的增大，工件在模拟体液中的腐蚀速率呈现先增大的趋势，而当脉冲宽度为56?s时又急剧减小，随后再次增大，最终呈现缓慢下降的趋势。造成这种现象的原因是：在脉宽较小的阶段下，电火花加工能量较低，单次蚀除量较小，表面几乎未生成重铸改性层，反而因为有电蚀坑的生成而加快了其腐蚀速率;在18?s～56?s间，由于脉宽加大，其表面生成的重铸改性层加厚，使得其腐蚀速率急剧下降;在56?s以后，由于脉宽更大，单次放电时间更长，镁合金表面重铸层受热应力影响较大，裂纹加大加深，因此会加快缝蚀现象的产生，所以腐蚀速率又呈现上升的趋势。由此，可以得出：脉宽对AZ31B镁合金耐腐蚀性有着显著的影响，且在18?s～56?s的区间内进行电火花成型加工较为合适，可以有效的提升AZ31B镁合金的耐腐蚀性能。

2.2.2脉间对腐蚀速率的影响

在只改变脉间，不改变其余三个参数时的腐蚀速率，通过绘制腐蚀速率与脉间的对应关系曲线图，可知：随着脉冲间隔增大时，腐蚀速率呈现减小的趋势，当脉冲间隔为13?s时在PBS模拟体液中的腐蚀速率达到谷值，随后腐蚀速率出现增大的趋势。出现这种现象的原因是：脉间越大，电火花蚀除物更容易排出，下一次放电效果更好，减少了一点连续放电或拉弧的情况，形成的改性重铸层质量较好，因此腐蚀速率有所下降;在腐蚀速率达到谷值后，由于脉间过大，熔融金属冷凝，重铸层加厚，加工稳定性降低^[13]，加工表面质量较差，粗糙度变大，因此腐蚀性呈现升高的趋势。由此，可以得出：在脉间为1.3?s～13?s之间时，脉冲宽度的增加对AZ31B镁合金耐腐蚀性有着促进作用。

2.2.3电流对腐蚀速率的影响

在只改变电流，不改变其余三个参数时的腐蚀速率，通过绘制腐蚀速率与电流的对应关系曲线图，可知：随着电火花成型加工中电流的增大，工件在PBS模拟体液中的腐蚀速率呈现先减小后增大又再次减小的趋势，在2.4A～4A间，腐蚀速率降低较为显著，而之后腐蚀速率的波动较为平缓，呈现出稳定的趋势。形成这种现象的原因在于：當电流在2.4A～4A时，电流的升高更利于击穿极间绝缘介质形成稳定的放电通道，脉冲能量增大，工具电极伺服进给速率与蚀除速率更加一致，加工稳定性提升，加工表面的重铸层质量较高，腐蚀速率有所降低;而电流继续增大，带电粒子动能增大，电蚀坑深度扩大，导致加工表面粗糙度加大^[13]，因此，腐蚀速率会有所提升。由此可知：当电流在2.4A～4A时，电火花加工后的AZ31B镁合金耐蚀性明显提升，而在4A～25.6A这一区间，电流对腐蚀速率影响较小。

2.2.4电压对腐蚀速率的影响

在只改变电压，不改变其余三个参数时的腐蚀速率，通过绘制腐蚀速率与脉宽的对应关系曲线图，可知：随着电火花成型加工中电压参数值的增大，工件在PBS模拟体液中的腐蚀速率呈现先增大后减小随后再次增大和减小的趋势，但工件腐蚀速率的整体波动较为平缓。造成这种现象的原因是：电压增大，脉冲能量也随之增大，撞向工件的电子动能更大，撞击金属表面后转化的热能也更大，在表面形成的熔坑深度也变大，表面粗糙度面大，因此腐蚀速率呈现上升的趋势;但是腐蚀速率波动平缓，说明了单电压的变化在这一区间上并未对腐蚀速率起到显著的影响。

3结论

本文采用电火花成型加工工艺对AZ31B镁合金进行表面处理，通过扫描电镜对低、中、高三种电火花能量加工后的工件进行表面形貌观察，分析了其形成原因;再通过单因素实验，分析了不同电火花加工参数对AZ31B镁合金腐蚀性的影响，得出以下结论：

1）不同加工能量对AZ31B镁合金表面形貌与重铸层性能有着显著影响。在文中所示低加工能量下的镁基体表面重铸层不明显，受热影响较少，电蚀坑、裂纹较少，整体表面较平整;中加工能量下，镁合金表面电蚀坑增多增大，沟壑较多，表面较为粗糙，但是重铸层明显加厚;在高能量加工下，重铸层非常明显，表面冷凝后的金属受拉产生裂纹较为明显，且裂纹增大增多，局部出现较大凸起，表面粗糙度更大，测量跳动大。

2）脉宽对AZ31B镁合金耐腐蚀性有着显著的影响，且在18?s～56?s的区间内进行电火花成型加工较为合适，可以有效的提升AZ31B镁合金的耐腐蚀性能;在脉间为1.3?s～13?s之间时，脉冲宽度的增加对AZ31B镁合金耐腐蚀性有着促进作用;当电流在2.4A～4A时，电火花加工后的AZ31B镁合金耐蚀性明顯提升，而在4A～25.6A这一区间，电流对腐蚀速率影响较小;单电压的变化在50V～82V这一区间上并未对腐蚀速率起到显著的影响。

参考文献

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