CN101892484B - 镁合金表面施压工装及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种合金制造技术领域的镁合金表面施压工装及其处理方法，通过将镁合金和纯铝薄板进行抛光处理后，将镁合金和纯铝薄板置于施压工装中并施加10-20MPa压力后置于真空热处理炉中在200-300℃下保温热处理6-18小时后随炉冷却，在镁合金上获得光亮表面的金属间化合物膜层。本发明能够在较低温度下在镁合金表面形成致密、均匀的镁铝金属间化合物，工艺步骤简单，成本低，环保，得到的膜层质量稳定，使镁合金表面腐蚀性能和耐磨性能均得到提高，并最终推动镁合金在相关领域的广泛使用。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种合金制造技术领域的方法及装置，具体是一种镁合金表面施压工装及其处理方法。
背景技术
镁合金具有比重小，比强度、比刚度高，导热性能好，电磁屏蔽能力强，可回收，无污染等优点，广泛应用于航空、电子、汽车和家用电子产品中。但是镁的化学稳定性低，电极电位很负(-2.34V)，耐蚀性差，此外镁合金的耐磨性、硬度及耐高温性能也较差，在某种程度上制约了镁合金材料的广泛应用。因此，如何提高镁合金的强度、硬度、耐磨、耐热及耐腐蚀等综合性能，进行适当的表面强化，已成为当今材料发展的重要课题。目前普遍采用的表面处理方法有化学转化处理、阳极氧化处理、化学镀、电镀、有机涂层等。上述方法虽然可在一定程度上改善镁合金表面性能，但仍存在很多不足。如化学转化处理，目前大多数化学转化膜是采用铬酐或重铬酸盐为主要成分的水溶液处理(铬化处理)。由于使用铬酸盐，势必造成很大的环境压力，且化学转化膜层防护性能有限，一般只作为后续处理的底层使用。阳极氧化层则往往是多孔的陶瓷状涂层，这种涂层往往是脆性的和绝缘的，在需要导电或加有载荷的条件下应用受限。电镀、化学镀工艺步骤繁琐，可控性差，同时存在严重的废水处理问题，且不同牌号的镁合金表面的不同性质也对能否都能形成均匀、无孔的镀层提出挑战。有机涂层在改善腐蚀性能的同时不能兼顾镁合金表面的耐磨性能和阻燃性能。最新研究开发的镁合金表面处理技术，如无毒化学转化处理，离子注入，喷涂，磁控溅射等，在技术上还很不成熟，有些甚至处于探索阶段，有些方法成本高，操作性不强。从许多方面考虑，铝都是镁合金表面膜层的理想材料。铝具有良好的腐蚀性能，镁合金表面涂铝后可以保持其轻质、导热导电性好，电磁屏蔽性好等优点。而且，成熟的铝表面处理技术可以直接用于具有铝涂层的镁合金表面。由于受镁合金低熔点的限制，目前镁合金表面涂铝技术主要有：铝粉埋覆热扩散法，喷涂法，磁控溅射法等。这些方法处理温度高，得到的镀层往往存在裂纹甚至有溶化现象，同时高温处理也会使镁合金基体的组织性能受到影响。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1397664，公开了一种把Al、Zn等金属粉用粘结剂涂覆于镁合金表面，通过感应加热获得表面耐蚀层的方法；该技术虽在镁合金表面制备了富Al合金涂层，但是制备的涂层为两相结构：镁合金基体相α-Mg相+β-MgnAlR相，并未获得连续的β相涂层，耐腐蚀性能受到限制；且处理温度高达450-650℃，势必影响镁合金基体性能及实际应用。
进一步检索发现，中国专利文献号CN101161853A，公开了一种结合表面纳米化技术和热喷涂方法在镁合金表面制备富Al涂层的方法，该技术结合表面纳米化技术和热喷涂方法也在镁合金表面制备了富Al涂层，镁合金表面的纳米层使Al的扩散温度降至200-400℃，但获得的合金层也为两相结构；此外，热喷涂处理技术的高成本限制了此方法的推广。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种镁合金表面施压工装及其处理方法，形成厚度可控、连续均匀、结合力强的镁铝金属间化合物的表面改性方法，从而提高镁合金表面的腐蚀性能和耐磨性能。通过持续施加外压力和提供真空条件，在较低温度下在镁合金表面形成致密、均匀的镁铝金属间化合物。该方法工艺步骤简单，成本低，环保，得到的膜层质量稳定，使镁合金表面腐蚀性能和耐磨性能均得到提高，并最终推动镁合金在相关领域的广泛使用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种镁合金表面处理方法，通过将镁合金和纯铝薄板进行抛光处理后，将镁合金和纯铝薄板置于施压工装中并施加10-20MPa压力后置于真空热处理炉中在200-300℃下保温热处理6-18小时后随炉冷却，在镁合金上获得光亮表面的金属间化合物膜层。
所述的镁合金为AZ31或AZ91D。
本发明上述方法所采用的施压工装采用不锈钢板提供固定作用，增加不锈钢板的数量可实现批量处理；采用高温弹簧(550℃)提供热处理过程中的持续压力，并通过旋紧装置来控制弹簧压缩量，安装压力计，压力值可直接从压力计上读取，从而控制压力大小。
所述的施压工装包括：若干块相互平行设置的不锈钢顶板、与不锈钢顶板相连的两根不锈钢轴、耐高温弹簧、螺纹顶丝、不锈钢把手、带螺纹螺丝和压力计，其中：耐高温弹簧套接于不锈钢轴上的两块相邻不锈钢顶板之间、螺丝固定设置于不锈钢顶板中且与压力计的一端相连接，压力计的另一端与其相对的一块不锈钢顶板相接触以测试压力，表面设有螺纹顶丝的不锈钢把手固定设置于最外侧的一块不锈钢顶板上，待处理镁合金和纯铝薄板设置于两块相邻的不锈钢顶板之间。
所述的不锈钢轴、耐高温弹簧、不锈钢把手和压力计均垂直于不锈钢顶板。
通过不锈钢把手的旋转压缩高温弹簧来调节压力大小；压力计的读数即为弹簧压力，旋转不锈钢把手直至压力计显示所需压力后停止旋转，松动螺丝将压力计取下，然后可将上述装有预处理试样的工装放入真空热处理炉中进行热处理。
本发明通过上述方法制备得到的金属表面，其合金组成为：β相(Mg17Al12)/γ相(Mg2Al3)双层结构，两层的纳米硬度均为3.5Gpa，弹性模量分别为61.1Gpa和58.6Gpa，大大高于镁合金基体(分别为1.1Gpa和40.0Gpa)；合金层在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡72h后没有发生析氢腐蚀，动电位极化曲线测试表明合金层具有与纯Al相似的腐蚀行为。
本发明的优点包括：无需繁琐的预处理，无需特殊处理设备，工艺极其简单，热处理温度相对较低，节省能源，使镁合金表面处理的成本大大降低；在镁合金表面处理过程中，不涉及任何化学药品，整个过程环保，无污染；采用的处理温度较低，对镁合金材料的没有负面影响，同时节省能源；处理的镁合金表面具有较高的腐蚀性能，与纯Al具有相似的腐蚀行为，同时具有高的硬度，并且具有金属光泽；获得的膜层与基体为冶金结合，膜层与基体的结合力强；所采用的镁合金可以是所有牌号的成分，如采用Al-Mg，Al-Zn，Al-RE(稀土)等合金，适用性广；采用的铝薄板可多次重复使用。
附图说明
图1工装示意图。
图2AZ91D镁合金在300℃下处理6小时后表面涂金属间化合物膜层的横截面图。
图3AZ91D镁合金在200℃下处理12小时后表面涂金属间化合物膜层的横截面图。
图4AZ31镁合金在300℃下处理18小时后表面涂金属间化合物膜层的横截面图。
图5镁合金表面涂金属间化合物膜层典型的XRD衍射谱。
图6镁合金和镁合金表面涂金属间化合物膜层在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡72h后的表面形貌。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，以下实施例采用的施压工装包括：若干块相互平行设置的不锈钢顶板1、与不锈钢顶板1相连的两根不锈钢轴2、待处理镁合金3、纯铝薄板4、耐高温弹簧5、螺纹顶丝6、不锈钢把手7、带螺纹螺丝8和压力计9，其中：耐高温弹簧5套接于不锈钢轴上的两块相邻不锈钢顶板1之间、螺丝8固定设置于不锈钢顶板1中且与压力计9的一端相连接，压力计9的另一端与其相对的一块不锈钢顶板1相接触以测试压力，表面设有螺纹顶丝6的不锈钢把手7固定设置于最外侧的一块不锈钢顶板1上，待处理镁合金3和纯铝薄板4设置于两块相邻的不锈钢顶板1之间。
所述的不锈钢轴2、耐高温弹簧5、不锈钢把手7和压力计9均垂直于不锈钢顶板1。
实施例1
AZ91D镁合金表面制备金属间化合物膜层
首先将AZ91D镁合金和纯铝薄板表面分别进行抛光处理，将镁合金及纯铝薄板装入工装，旋转不锈钢把手至压力计显示数为20MPa时，停止旋转，松动螺丝将压力计取下，然后将装有预处理试样的工装置于真空热处理炉中300℃下保温热处理6小时，随炉冷却后将达到保温时间的试样从工装中取出。
如图1所示为本实施例得到的典型的横截面。可以看到在原始界面处存在由于卡肯达尔效应引起的空洞，稍加推力铝薄板从空洞处脱落，在镁合金上获得光亮表面的金属间化合物膜层，所获的镁铝金属间化合物总厚度为40μm，其中包括10μm的Mg17Al12和30μm Mg2Al3。
实施例2
首先将AZ91D镁合金和纯铝薄板表面分别进行抛光处理，将镁合金及纯铝薄板装入工装，旋转不锈钢把手至压力计显示数为10MPa时，停止旋转，松动螺丝将压力计取下，然后将装有预处理试样的工装置于真空热处理炉中200℃下保温热处理12小时，随炉冷却后将达到保温时间的试样从工装中取出，稍加推力铝薄板脱落，在镁合金上获得光亮表面的金属间化合物膜层，获得的膜层横截面如图2所示，所获的镁铝金属间化合物总厚度为14μm，其中包括9μm的Mg17Al12和5μm Mg2Al3。
实施例3
AZ31镁合金表面制备金属间化合物膜层
首先将AZ31镁合金和纯铝薄板表面分别进行抛光处理，将镁合金及纯铝薄板装入工装，旋转不锈钢把手至压力计显示数为20MPa时，停止旋转，松动螺丝将压力计取下，然后将装有预处理试样的工装置于真空热处理炉中300℃下保温热处理18小时，随炉冷却后将达到保温时间的试样从工装中取出，稍加推力铝薄板脱落，在镁合金上获得光亮表面的金属间化合物膜层，获得的膜层横截面如图3和图4所示，所获的镁铝金属间化合物总厚度为110μm，其中包括60μm的Mg17Al12和50μm Mg2Al3。
如图5所示镁合金表面金属间化合物膜层为β相(Mg17Al12)和γ相(Mg2Al3)。
如图6所示镁合金在3.5wt.％NaCl溶液中浸泡72h后发生了严重的腐蚀，如图6a；腐蚀产物膜疏松，如图6b。镁合金表面涂金属间化合物膜层后，浸泡72h未发生腐蚀，如图6c；同时腐蚀产物膜致密，如图6d；大大提高了镁合金的耐腐蚀性能。
Claims (4)
1.一种镁合金表面处理方法，其特征在于，通过将镁合金和纯铝薄板进行抛光处理后，将镁合金和纯铝薄板置于施压工装中并施加10-20MPa压力后置于真空热处理炉中在200-300℃下保温热处理6-18小时后随炉冷却，在镁合金上获得光亮表面的金属间化合物膜层；
所述的施压工装包括：若干块相互平行设置的不锈钢顶板、与不锈钢顶板相连的两根不锈钢轴、耐高温弹簧、螺纹顶丝、不锈钢把手、带螺纹螺丝和压力计，其特征在于：耐高温弹簧套接于不锈钢轴上的两块相邻不锈钢顶板之间、螺丝固定设置于不锈钢顶板中且与压力计的一端相连接，压力计的另一端与其相对的一块不锈钢顶板相接触以测试压力，表面设有螺纹顶丝的不锈钢把手固定设置于最外侧的一块不锈钢顶板上，待处理镁合金和纯铝薄板设置于两块相邻的不锈钢顶板之间。
2.根据权利要求1所述的镁合金表面处理方法，其特征是，所述的不锈钢轴、耐高温弹簧、不锈钢把手和压力计均垂直于不锈钢顶板。
3.根据权利要求1所述的镁合金表面处理方法，其特征是，所述的镁合金为AZ31或AZ91D。
4.根据上述任一权利要求所述的镁合金表面处理方法，其特征是，根据所述处理方法制备得到的镁合金表面包括β相Mg17Al12以及γ相Mg2Al3的双层结构。
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